Politechnika Wrocławska                                     Wrocław dn. 1.02.2000

Wydział Górniczy

EOP, Gr. 1

Semestr IX

GÓRNICZE INSTALACJE CHŁODNICZE WYKORZYSTUJĄCE LÓD

Wykonał:                                                                      Prowadzący:

Bartosz Kurdziel                                                           Dr inż. F. Rosiek

1. Wstęp

Urządzenie chłodnicze ma utrzymywać w pomieszczeniu, które zwykle jest zamknięte, temperaturę niższą od temperatury otoczenia. Sztuczne chłodzenie wymaga przekazywania ciepła ze środowiska o temperaturze niższej do otoczenia o temperaturze wyższej. Zespół urządzeń realizujących ten proces nazywa się ziębiarką. Stosowana jest również nazwa chłodziarka, a w zagadnieniach klimatyzacji powietrza używa się również nazwy maszyna klimatyzacyjna. Energia przekazywana jest za pośrednictwem czynnika termodynamicznego zwanego czynnikiem chłodniczym, który krąży w obiegu przez zespół urządzeń ziębiarki.

Substancje płynne pośredniczące w przepływie ciepła między czynnikiem chłodniczym wrzącym w parowniku ziębiarki a obszarem chłodzonym na­zywają się chłodziwami. W charakterze chłodziw najczęściej stosuje się powietrze, wodę, solanki (wodne roztwory soli) oraz roztwory wodne związków organicznych. Chłodziwa służą do odprowadzania ciepła i pełnią rolę cieczy pośredniczącej.

W charakterze chłodziwa wykorzystuje się również glikole, glicerynę, alkohole oraz ich roztwory wodne. W odróżnieniu od soli są one obojętne wobec metali. Koszty ich uzyskania są jednak znacznie wyższe niż soli. Gdy temperatura wrzenia czynnika chłodniczego w parowniku nie jest niższa od —50C, jako ciecz pośredniczącą stosuje się wodę. W niektórych przypadkach jako czynnik chłodzący stosuje się lod.

2. Zasada chłodzenia lodem.

Do transportu mocy chłodniczej z powierzchni do wyrobisk dołowych niekiedy stosuje się lód. Wykorzystanie lodu jako chłodziwa wynika ze stosunku ciepła topnienia lodu równego 333.5 kJ/kg do ciepła właściwego wody, które wynosi 4. 188 kJ/kgK. Ciepło topnienia lodu jest równe ciepłu potrzebnemu do podgrzania wody o 333,5/4,188 = 79.7 0C. W obiegach stoso­wanych w klimatyzacji kopalń zimna woda zostaje ogrzana o 10 do 200C. Wobec tego do przeniesienia takiej samej mocy chłodniczej potrzebna jest 5—8 razy większa masa wody niż lodu. Możliwość kilkakrotnego zmniejszenia transportowanej masy stanowiła zachętę do prac nad produkcją, uzyskaniem pożądanej granulacji, transportem lodu oraz wymianą ciepła w urządzeniach układu kli­matyzacyjnego pracującego w oparciu o chło­dziwo lodowe. Układy chłodnicze, w których stosuje się lód, charakteryzują się dużą mocą i potrzebne ilości lodu sięgały paruset kg/s. Zasadniczym zatem problemem jest produkcja dużej ilości lodu i związane z tym zużycie energii.

Do tej pory opanowane zostały dwie metody produkcji lodu. Jedna z fabryk lodu zawiera 12 modułów z 80 rurami każda. Woda płynie na zewnątrz rur, a płynny amoniak wewnątrz. Lód formuje się na powierzchni rur i jest zbierany cyklicznie co ok. 12 minut przez zastąpienie w obiegu chłodniczym ziębiarki ciekłego amoniaku gorącą parą amoniaku. Rysunek poniższy ilustruje obydwa cykle produkcji: zamarzanie (a) i zbieranie (b).

                                            (a)                                  (b)

Na etapie zamarzania temperatura wrzenia czynnika chłod­niczego jest stosunkowo wysoka i może wynosić —60C. Postać wytworzonego lodu w tym przypadku nazywa się pokruszonymi rurkami. Lód taki można transportować na powierzchni wykorzystując przenośnik taśmowy lub pneu­matyczny, a w szybie lód może opadać grawitacyjnie w rurociągu wyko­nanym z PCV.

W fabrykach lodu w postaci zawiesiny (slurry ice) kryształki tworzą się w roztworze solanki w punkcie potrójnym. Niskie ciśnienie wewnątrz kor­pusu osiąga się za pomocą pompy próżniowej, która stale wysysa parę wodną z obszaru nad roztworem (rysunek poniższy), w wyniku czego kryształki lodu tworzą się wewnątrz masy solanki.

Stężenie solanki wynosi 5000 ppm. Przy niższym zasoleniu na powierzchni cieczy tworzy się pokrywa lodowa. Instalacja składa się z naczynia do wytwarzania lodu oraz z koncentratora, w którym wzrasta udział masowy lodu i zmniejsza się udział solanki. W zbiorniku nad solanką panuje ciśnienie 400 Pa. Lód zawiesinowy transportowany jest metodą hydrauliczną.

3. Przykład agregatu lodowego

Agregat lodowy EWK 350

Urządzenie o mocy chłodniczej 350 – 1000 kW usytuowane jest bezpośrednio we froncie robót eksploatacyjnych i służy do schładzania powietrza w wyrobiskach ścianowych.

Agregat tworzą poszczególne podzespoły:

              - zespól maszynowy wraz ze skraplaczem oraz parownikiem produkujących zimno dla wytwornicy lodu,          

   - wymiennik ciepła Antifrogen(mieszanina glikolu z wodą)/ Frigur(mieszanka wodno –                lodowa z dodatkiem środka chemicznego obniżającego jej temperaturę krzepnięcia)

   - wytwornica lodu EG,

   - ścianowe chłodnice lodowe ESK 14.

Zespól maszynowy wraz z skraplaczem tworzą:

-    sprężarka śrubowa do sprężania odparowanego czynnika chłodzącego (Freon R 22),

-    skraplacz zbudowany z dwóch korpusów połączonych równolegle w odniesieniu do przepływu czynnika chłodzącego. Wewnątrz korpusów znajdują się dwie wiązki rurek z miedzi i połączone szeregowo w odniesieniu do przepływającej przez nie wody chłodzącej.

Czynnik skrapla się w wyniku odebrania mu ciepła przez wodę pochodzącą z agregatu KM

              Termostatyczny zawór ekspansyjny

W zaworze następuje rozprężenie będącego pod wysokim ciśnieniem płynnego czynnika chłodzącego do wartości niskiego ciśnienia parowania, aby następnie czynnik ten mógł zostać wtryśnięty do parowacza

Parowacz zbudowany jest z dwóch równolegle w odniesieniu do przepływu Antifrogenu płaszczy stalowych,  wewnątrz których znajdują się dwie wiązki rurek z miedzi połączone szeregowo w odniesieniu do przepływającego przez nie środka chłodzącego. Dla intensywniejszej wymiany ciepła we wnętrzu płaszcza znajdują  się przegrody nadające zmienny kierunek przepływu Antifrogenu.

VV rurkach parowacza następuje odparowanie czynnika chłodzącego R 22 w wyniku pobrania ciepła, które dostarcza mu wtłaczany Antifrogen.

Współbieżny wymiennik ciepła Antifrogen,/Frigur.

Wymiennik stanowi wiązka współosiowo  ułożonych rur, która tworzy jedną całość z hydraulicznymi zespołami urządzeń mechanicznych – sterującym oraz napędowym, znajdujących się w wytwornicy lodu EG.

Ponadto umieszczone są tutaj silniki elektryczne wraz z pompami  Friguru i Antifrogenu. Przez rurki wymiennika przepływa Antifrogen odbierający ciepło Frigurowi powracającemu ze ścianowych chłodnic lodowych ESK 14. Ochłodzony w wymienniku Figur  zostaje doprowadzony do wytwornicy lodu EG.

Wytwornica lodu EG wykonana jest w postaci stalowej komory osłonowej,  wewnątrz której znajdują się wiązka stalowych rur o stosunkowo dużych przekrojach poprzecznych oraz urządzenie do zeskrobywania i transportu lodu.

Pochodzący z parownika strumień Antifrogenu dostaje się do wnętrza rur wytwornicy, zaś powierzchnie zewnętrzne tych rur opływa Frigur. W następstwie odebrania Frigurowi  przez Antifrogen ciepła na powierzchni zewnętrznych rur tworzy się pokrywa lodowa w postaci mazi śniegowej. Hydraulicznie napędzana skrobarka usuwa lód w sposób ciągły z powierzchni  zewnętrznych rur znajdująćych się w wytwornicy.

Lód, na skutek różnicy gęstości w stosunku do płynnego Friguru, wpływa do górnej części komory osłonowej. W tej części komory znajduje się hydraulicznie napędzany transporter ślimakowy, który przemieszcza lód do króćca wylotowego wytwornicy

Ścianowe chłodnice lodowe ESK 14. W ścianie znajduje się od 25 do 32 chłodnic lodowych o mocy chłodniczej 10 kW każda z nich. Cztery lub pięć chłodnic stanowią jedną grupę i połączone są szeregowo. Cztery lub pięć grup tworzy ciąg połączenia równoległego. Każda z chłodnic składa się z dwóch segmentów. W segmencie wlotowym znajduje się właściwy wymiennik ciepła. Jest on wykonany w postaci koncentrycznie usytuowanych płaszczy rurowych.

Przez współosiowo usytuowane płaszcze rurowe przepływa Frigur (woda z lodem), a zewnętrzne powierzchnie tych  płaszczu opływa powietrze. W segmencie wylotowym znajduje się dysza zimnego powietrza oraz tłumik dźwięku. Dysza jest zasilana sprężonym powietrzem i wykonuje równocześnie pracę urządzenia inżekcyjnego oraz chłodzącego.

4. Przykłady zastosowania instalacji chłodniczych wykorzystujących lód

              4.1 Z uwagi na zalety chłodziwa lodowo - wodnego, w drugiej połowie lat 80-tych kopalniach złota W RPA zastosowano lód do transportu mocy chłodniczej  z   powierzchni do wyrobisk dołowych. Możliwość kilkakrotnego zmniejszenia masy chłodziwa transportowanego w szybie wdechowym  stanowiła zachętę do prac związanych z produkcją, uzyskaniem pożądanej granulacji transportem lodu oraz wymianą ciepła.

Korzyści związane ze stosowaniem lodu są wielorakie. Do  przeniesienia dużej mocy chłodniczej służy rurociąg szybowy o mniejszej  średnicy niż do przepływu zimnej wody. Jest to korzystne szczególnie w szybach wdechowych, gdzie zazwyczaj jest mało miejsca. Zamocowanie i utrzymanie w szybie przewodu o mniejszej średnicy jest łatwiejsze i prostsze. Stan naprężeń w ściance rurociągu w tym przypadku jest również korzystniejszy z punktu widzenia wytrzymałości materiałów niż przy dużej średnicy. Zmniejsza się ilość urządzeń służących klimatyzacji w wyrobiskach pod­ziemnych. Następuje znaczna  redukcja zapotrzebowania na energię elektry­czną na dole w porównaniu  z przypadkiem‚ gdy ziębiarki układu klimatyzacyjnego znajdują się w podziemiach  kopalni. W celu uzyskania prostej instalacji nie odzyskuje się energii kinetycznej schodzącego z góry lodu.

W rozpatrywanej metodzie lód stosuje się do chłodzenia  wody recyrkulującej w podziemnym drugim obiegu przez bezpośredni kontakt i topnienie

w centralnym podziemnym zbiorniku wody w temperaturze zbliżonej do 00C. W innych systemach chłodzenia najniższą osiągalną temperaturą jest na ogół 60C, jeżeli  do bezpośredniego chłodzenia powietrza wykorzystuje się parownik. W związku z tym do przeniesienia takiej samej mocy chłodniczej wydatek w drugim  obiegu wody może być odpowiednio  niższy. W konsekwencji mogą być zmniejszone wymienniki ciepła i inne urządzenia.

Układ chłodniczy z lodem wdrożono w kopalni East Rand Proprietary Mine, gdzie potrzeba było 24000 ton lodu dla kilku central klimatyzacyjnych zlokalizowanych przy różnych szybach. Ważną kwestią była produkcja dużej ilości lodu i transport do wyrobisk kopalnianych oraz wybór sposobu wykorzystania lodu na dole. Przeprowadzono studialne badania korzyści ekonomicznych wynikających z zastosowania lodu w klimatyzacji. W rozważaniach porównywano projekt centralnej klimatyzacji z lodowym chłodziwem z projektem systemu z obiegiem zimnej wody. Założono miesięczne wydobycie 120 000 ton skał czterech poziomów na głębokości od 3000 do 4000 m. Potrzebna moc chłodnicza dla części kopalni o podanym wydobyciu wynosi od 25 do 50 MW. Ponadto stwierdzono, że najkorzystniejsze jest pneumatyczne przenoszenie lodu, który we wlotowej części rurociągu jest suchy lub prawie suchy i ma klika stopni Celsjusza poniżej zera. W pracach studialnych przyjęto, że do produkcji lodu wykorzystane zostaną dobrze sprawdzone i dostępne maszyny wytwarzające lód do celów przechowywania żywności.  Schemat ideowy instalacji przedstawiono na rysunku.

              4.2 Począwszy od 1977 r. w południowo - afrykańskim górnictwie rud złota zarysowuje się tendencja do budowy centralnych instalacji klima­tyzacyjnych na powierzchni. Jako główne korzyści ustawiania urządzeń klimatyzacyjnych na powierzchni, w porównaniu z lokalnymi urządzeniami  pod ziemią, wymienia się:

- niższe o 20 K temperatury kondensacji, a tym samym niższe koszty energii do wytwarzania zimna,

- brak nagrzania prądów powietrza wylotowego,

- możliwość wstępnego chłodzenia powracającego czynnika chłodniczego, tj. wody zimnej w wieżach chłodniczych na powierzchni.

Zaletom tym przeciwstawia się natomiast następujące wady:

-              potrzeba zamontowania długich izolowanych układów rur,

-              konieczność transportowania na powierzchnię czynnika chłodniczego.

Koszty energii przy głębokich wynoszących od 3000 m do 4000 m są bardzo duże, pomimo prób odzyskania części energii potencjalnej za pomocą turbin Peltona.

W roku 1981 w kopalni rud złota East Rand Proprietary Mines /RPA/ rozpoczęto badania systemu schładzania powietrza kopalnianego z zastosowaniem lodu.

Argumentem zasadniczym i przeważającym za wykorzystywaniem lodu jako nośnika zimna są jego właściwości fizyczne. Ciepło topnienia lodu wynosi bowiem 3314 kJ/kq, a ciepło właściwe wody równa się 4,188 kJ/kqK. Ciepło topnienia ma więc wartość równą ciepłu po­trzebnemu do podwyższenia temperatury wody o około 80 K /334:4.188 = 79,7/..

Wychodząc z założenia, iż woda jako nośnik zimna w systemie chło­dzenia powietrza kopalnianego zostaje średnio ogrzana o 2OK oraz iż stopiony lód zostaje również ogrzany o 20K (z O C do 200C), dochodzi się do wniosku, że lód może pobrać na jednostkę masy pięciokrotnie więcej tyle ciepła niż woda. Logiczną konsekwencją tego jest stwierdzenie, że w przypadku lodu, wystarczy pięć razy mniejszy strumień masy niż w przypadku wody.

Rysunek poniższy przedstawia koncepcje systemu klimatyzacyjnego dla strumie­nia masy lodu wyrażającej 10200 t/d, odpowiadającej wytwarzanej mocy chłodniczej wynoszącej około 50MW.

Taka moc chłodnicza po­trzebna jest do właściwej klimatyzacji poziomu na głębokości

4000 m.

W specjalnym urządzeniu znajdującym się na powierzchni, wytwarza się

z wody o temperaturze 4C lód o temperaturze –5,9C

W dużym zbiorniku mieszającym, znajdującym się pod ziemią, lód

zostaje stopiony nagrzaną do temperatury 260C wodą o strumieniu 355 kg/s, pochodzącą z obiegów wtórnych.

W  ten  sposób strumień. nośnika zimna schładza się do temperatury

1°C.

Strumień wody zimnej wynoszący 50 kg/s, odpowiadającej mocy chłod­niczej wynoszącej 5,7 MW, znajduje zastosowanie jako woda użytkowa, natomiast zasadnicza część strumienia o objętości 423 kg/s zostaje doprowadzona do dużych chłodnic rozpylających.

Z całkowitego strumienia o objętości 475 kg/s, wspomniane 355 kg/ś zostaje doprowadzone z powrotem do zbiornika mieszającego, a po­zostałe 120 kg/s zostaje ponownie przetransportowane na powierzch­nię.

Opisana wyżej pilotowa instalacja przedstawiona została na rysunku poniższym

Opierając się na doświadczeniach uzyskanych w fazie badawczej w listopadzie 1985 r. w kopalni rud złota Harmony oddano do eks­ploatacji instalację klimatyzacyjną na dużą skalę techniczną. Schemat instalacji dotyczący części tylko kopalni przedstawiono na rysunku:

Urządzenie to, znajdujące się na powierzchni posiada moc chłodniczą -około 5,2 MW, co odpowiada strumieniowi masy lodu wynoszącej 1000 t/d.

Kawałki lodu, wytwarzane w 12 – tu maszynach do lodu, zostają przetransportowane rurociągami do dużego zbiornika o powierzchni 216 m2 znajdującego się na głębokości 1088 m.

W zbiorniku tym następuje topnienie lodu, przy czym otrzymana z tego procesu woda zimna służy najpierw do chłodzenia około 250 m3/h wody użytkowej.

Pozostały strumień wody doprowadzony zostaje do kilku dużych chłodnic powietrza o mocy chłodniczej około 4,5 MW. Część strumienia wody zimnej używana jest do chłodzenia wody dopływającej z górotworu. Strumień tej wody wynosi około 83 m3/h, a schłodzenie jej następuje do temperatury 200C

Bardzo ważnym problemem jest transport lodu.

Lód o kształcie rurkowatym o wymiarach: długość 75, średnica 75, grubość ścianki 8 mm; transportowany jest początkowo po poziomym 80 – metrowym odcinku od urządzenia do wytwarzania lodu w stronę szybu, a następnie na poziom 1088 m dodatkowo izolowanymi rurociągami z PCW o średnicy 200 mm.

W podsumowaniu należy stwierdzić, że podczas gdy w szczególnych warunkach kopalni rud złota Harmony opłacalność chłodzenia za pomocą lodu występuje już przy głębokości 1100 m, analizy ekonomiczne odnoszące się do bardzo rozbudowanych systemów klimatyzacyjnych o mocach chłodniczych 25 względnie 50 MW wykazały, że użycie lodu do schładzania powietrza jest bardziej ekonomiczne od tradycyjnych systemów dopiero od głębokości 3000 m.