Stanisław Nawrat

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 2 -

Streszczenie:

Kopalnia „Pniówek” eksploatuje pokłady grupy 300 zalegające na znacznej

głębokości  pod  powierzchnią  ziemi,  charakteryzujące  się  bardzo  dużym
zagrożeniem  metanowym  oraz  wysoką  temperaturą  pierwotną  górotworu,  która
dla poszczególnych poziomów  wynosi: -poz. 705 m t



od 29,5

C do 34,5

gp śr

= 31,1

C, -poz. 830 m t



od 33,4

C do 37,7

C; t

gp śr

= 35,0

-poz. 1 000 m t



od 38,6

C do 43,5

C; t

gp śr

= 40,3

C. Pogarszanie się

warunków klimatycznych w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych w
KWK  „Pniówek”  skłoniły  kierownictwo  Kopalni  i  Spółki  do  budowy  klimatyzacji
centralnej.  Przeprowadzone  obliczenia  prognostyczne  warunków  klimatycznych
w wyrobiskach górniczych KWK „Pniówek” w latach 1995 do 2005 wykazały, że
w  celu  utrzymania  temperatury  powietrza  na  wylocie  ze  ścian  poniżej
dopuszczalnej  28

C, niezbędne jest chłodzenie powietrza wlotowego do ścian.

Moc  chłodnic  powietrza  koniecznych  do  zainstalowania  na  wlocie  do  ścian
wynosić  winna  około  5  000  kW.  W  wyniku  przeprowadzonych  analiz  układów
klimatyzacji  centralnej  [1,  2]  ,  wybrano  do  za

stosowania układ skojarzony

energetyczno-

chłodniczy oparty na silnikach gazowych i generatorach energii

elektrycznej oraz chłodziarkach absorpcyjnych i sprężarkowych. Silniki gazowe
zasilane będą metanem z odmetanowania kopalni. Ciepło wytworzone w tym
pro

cesie wykorzystane będzie do przemiany w chłodziarkach absorpcyjnych.

Cześć  wytworzonej  przez  generator  energii  elektrycznej  służyć  będzie  do
zasilania  sprężarek  śrubowych.  Pozostała  ilość  energii  elektrycznej  i  ciepła
wykorzystana  będzie  na  potrzeby  ruchowe  kopalni.  Przyjęty  układ  centralnej
klimatyzacji  w warunkach kopalni „Pniówek” o docelowej mocy 5,0 MW będzie
realizowany  w  dwóch  etapach. W  pierwszym  etapie  przewidzianym  na  listopad
1999 roku zostanie uruchomiony system centralnej klimatyzacji dla mo

cy równej

2,5 MW. Natomiast docelową moc chłodniczą 5,0 MW system centralnej
klimatyzacji osiągnie w czerwcu 2000 roku.

Wstęp

Kopalnia „Pniówek” eksploatuje pokłady grupy 300 zalegające na znacznej

głębokości  pod  powierzchnią  ziemi,  charakteryzujące  się  bardzo  dużym
zagrożeniem  metanowym  oraz  wysoką  temperaturą  pierwotną.  Kopalnia
„Pniówek”  należy  do  kopalń  o  dużym  zagrożeniu  klimatycznym.  Charakter  oraz
intensywność  wymiany  ciepła  pomiędzy  powietrzem  a  otaczającym  wyrobiska
kopalniane  górotworem  zależy  od  wielu  czynników,  z  których  główną  rolę
odgrywa  głębokość  zalegania  i  związana  z  nią  temperatura  pierwotna  skał.
Kopalnia „Pniówek” prowadzi roboty górnicze w warunkach wysokiej temperatury
pierwotnej górotworu, która dla poszczególnych poziomów wynosi:



-poz. 705 m t



od 29,5

C do 34,5

C; t

gp śr

= 31,1



-poz. 830 m t



od 33,4

C do 37,7

C; t

gp śr

= 35,0



-poz. 1 000 m t



od 38,6

C do 43,5

C; t

gp śr

= 40,3

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 3 -

Z analizy rozkładu temperatur pierwotnych skał wynika, że wyższe wartości

temp

eratur występują w kierunku południowo-wschodnim obszaru górniczego

kopalni w związku z głębszym zaleganiem pokładów węgla w tym kierunku.

Schodzenie z eksploatacją z poziomu 705 m na poziom 830 m

spowodowało  wzrost  zagrożenia  temperaturowego  na  stanowiskach  pracy
przewietrzanych  prądami  powietrza  doprowadzanymi  z  poziomu  830  m.
pogarszanie  się  warunków  klimatycznych  w  wyrobiskach  eksploatacyjnych  i
przygotowawczych  w  KWK  „Pniówek”  skłoniło  kierownictwo  Kopalni  i  Spółki  do
budowy klimatyzacji centralnej. P

owodem podjęcia tej decyzji są między innymi

problemy w zapewnieniu właściwych warunków klimatycznych w wyrobiskach
przy stosowaniu lokalnych urządzeń chłodniczych. Ciepło skraplania z lokalnych
urządzeń chłodniczych musi być oddawane do powietrza w wyrobiskach
górniczych. Zastosowanie zbyt dużej mocy urządzeń chłodniczych uniemożliwia
odprowadzenie ciepła skraplania.

Zapotrzebowanie mocy chłodniczej

Przeprowadzone obliczenia prognostyczne warunków klimatycznych w

wyrobiskach górniczych KWK „Pniówek” w latach 1997 do 2005 wykazały, że w
celu utrzymania temperatury powietrza na wylocie ze ścian poniżej
dopuszczalnej 28

C, niezbędne jest chłodzenie powietrza wlotowego do ścian.

Moc chłodnic powietrza koniecznych do zainstalowania na wlocie do ścian
wynosi

ć winna około 5 000 kW. Z obliczeń wynika, że niezależnie od

posiadanych urządzeń klimatyzacji lokalnej w kopalni „Pniówek” występuje brak
mocy chłodniczej na poziomie 4 000 kW. Z tego też powodu niezbędne jest
wprowadzenie klimatyzacji centralnej z uwagi

na trudności w odprowadzaniu

ciepła do dróg zużytego powietrza od urządzeń lokalnego chłodzenia. W
wyrobiskach przygotowawczych o długości powyżej 500 m utrzymanie
temperatury poniżej 28

C nie jest realne, a przy bardzo długich wybiegach może

dojść do przekroczenia temperatury 33

C. Dlatego też wyrobiska

przygotowawcze o długich wybiegach winny mieć zainstalowane urządzenia
chłodnicze.

Wykorzystując wyniki prognozy temperatury dla wyrobisk eksploatacyjnych

zamieszczone  w  pracy  [1]  możliwe  jest  określenie  zapotrzebowania  mocy
chłodniczej  dla  rejonów  wentylacyjnych.  Wielkość  mocy  chłodniczej  obrazuje
ilość  ciepła  jaką  należy  odebrać  w  ścianie,  by  zachować  właściwe  warunki
klimatyczne  określone  przepisami.  W  oparciu  o  prognozę  zagrożenia
temperaturowego  pod

ano zapotrzebowanie mocy chłodniczej dla ścian w

poszczególnych rejonach, które odpowiednio wynoszą:



Partia K-

3 w pokładzie 357/1 – 520 kW,



Partia C w pokładzie 360/1 – 470 kW,



Partia C w pokładzie 361 – 460 kW,



Partia B w pokładzie 401/1 – 340 kW,



Partia

N w pokładzie 401/1 – 440 kW,



Partia B w pokładzie 403/1 – 360 kW,



Partia W-2/P-

2 w pokładzie 361 – 600 kW,



Partia S w pokładzie 403/1 – 600 kW,

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 4 -



Partia N-

2 w pokładzie 363 – 450 kW,



Partia B w pokładzie 363 – 300 kW.

Wybór sposobu klimatyzacji wyrobisk dołowych

Analizując rozwój klimatyzacji centralnej zasadniczą uwagę zwrócono na

doświadczenia kopalń niemieckich oraz południowo-afrykańskich, w których to
krajach od dłuższego czasu jest stosowana klimatyzacja centralna. W polskich
kopalniach do tej pory

nie stosowano klimatyzacji centralnej dlatego też nie było

możliwości odniesienia się do doświadczeń polskich.

Przy konieczności chłodzenia znacznej ilości miejsc pracy na dole kopalni i

zapotrzebowaniu na większe moce chłodnicze stosuje się centralne urządzenia
chłodnicze, których agregaty chłodnicze są usytuowane na powierzchni lub pod
ziemią. Stosowane są podstawowe trzy systemy klimatyzacji centralnej:



centralne chłodzenie pod ziemią; ciepło odprowadzane poprzez wyparne
chłodnice wody instalowane w zużytych prądach powietrza,



kombinowane centralne chłodzenie na powierzchni i pod ziemią,



centralne chłodzenie na powierzchni.

W technice klimatyzacji kopalń występują obecnie dwie tendencje:

 stosowanie

klimatyzacji

centralnej

poprzez

instalowanie

maszyn

klimatyzacyjnych na powierzchni i transportujących „zimno” na dół,

 stosowanie klimatyzacji lokalnej lub centralnej kombinowanej i instalowanie

lekkich  maszyn  klimatyzacyjnych  chłodzących  bezpośrednio  powietrze  w
miejscu  pracy.  W  miarę  wzrostu  ilości  maszyn  klimatyzacyjnych
instalowanych  na  dole  w  kopalni  osiąga  się  również  granicę,  powyżej  której
nie można już odprowadzić ciepła do prądu powietrza. W takiej sytuacji ciepło
odbierane z powietrza musi być odprowadzane rurociągami na powierzchnię
kopalni.

rozważaniach nad wprowadzeniem klimatyzacji zwrócono również uwagę

na wykorzystanie metanu z kopalni dla potrzeb klimatyzacji. Analiza
poszczególnych wariantów klimatyzacji została przedstawiona w pracy [1]. Z
rozważanych wariantów należy wymienić:



klimaty

zację centralną z powierzchniową instalacją do wytwarzania lodu z

chłodzeniem rejonowych prądów powietrza oraz wtórnie grupowych prądów
powietrza

– wariant 1,



klimatyzację centralną z agregatami chłodniczymi na powierzchni (z
zastosowaniem turbiny Peltona

lub systemu Siemag) i chłodzeniem

rejonowych oraz wtórnie grupowych prądów powietrza – wariant 2,



klimatyzację  centralną  etapową  podziemną  i  kombinowaną;  z  chłodnicą
wyparną wody w zużytym prądzie powietrza i wykorzystaniem wody dołowej i
chłodzeniem  powietrza  w  rejonach  –  wariant  3a,  z  wyprowadzeniem  wody
ciepłej  na  powierzchnię  i  chłodzeniem  powietrza  w  rejonach  -  wariant  3b  i
kombinowaną z agregatami chłodniczymi na dole i powierzchni i chłodzeniem
powietrza w rejonach

– wariant 3c.

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 5 -

We wszystkich warian

tach klimatyzacji centralnej uwzględniano dodatkowo

chłodzenie lokalnymi urządzeniami chłodniczymi.

Najbardziej

korzystne

pod

względem

techniczno-ruchowym

dla

wprowadzenia  klimatyzacji  centralnej  w  kopalni  „Pniówek”  wydawało  się
rozwiązanie  z  powierzchniową  instalacją  do  wytwarzania  lodu  i  chłodzeniem
rejonowym i wtórnie grupowych prądów powietrza. Wybór koncepcji klimatyzacji
centralnej  został  poprzedzony  analizą  techniczno-ekonomiczną  poszczególnych
rozwiązań  wariantowych,

ze szczególnym

uwzględnieniem

nakładów

inwestycyjnych i kosztów bieżących eksploatacji urządzeń chłodniczych.

W przeprowadzonej analizie techniczno-

ekonomicznej uwzględniono

niezbędne  do  poniesienia  nakłady  inwestycyjne  na  realizację  wariantowego
rozwiązania  klimatyzacji  centralnej  kopalni  w  okresach  5-letnich  oraz
kształtowanie  się  kosztów  bieżących  eksploatacji  całego  systemu  w
poszczególnych  latach.  W  oparciu  o  przeprowadzoną  analizę  przedstawiono
szczegółowo  założenia  techniczno-ekonomiczne  dla  centralnego  systemu
klimatyzacji.

Dla

docelowej zainstalowanej mocy chłodniczej 5 MW wskaźniki te

przedstawiać się będą następujące:

Wariant

Koszt zainstalowanej mocy chłodniczej

Udział w kosztach

wydobycia

zł/kWh

zł/Mg

0,1399+0,1405

1,3427+1,03486

1,39+1,40

0,1508+0,1632

1,4476+1,5669

1,50+1,62

0,1548+0,1596

1,4860+1,5323

1,54+1,59

Z powyższego zestawienia wynika, że ponoszone koszty na instalację

klimatyzacji centralnej są do siebie zbliżone jednak należy uwzględnić również
czynniki techniczne. Stosunek uzyskanej mocy chłodniczej do mocy pobieranej
dla klimatyzacji centralnej jest wysoki i wynosi 2,3

– 3,5, jednak energochłonność

klimatyzacji  centralnej  jest  duża  i  obciąży  każdą  tonę  wydobycia  dodatkowo
kosztami  energii  w  wysokości  4,1  –  5,6  kWh.  W  pierwszej  kolejności  wybrano
wariant  oparty  o  produkcję  lodu  próżniowego.  Realizacja  nowatorskiego
rozwiązania  technicznego  z  instalacją  do  wytwarzania  lodu  jest  korzystna  ze
względów  ekologicznych  w  związku  z  możliwością  wykorzystania  tej  produkcji
nośnika zimna zasolonej wody dołowej i metanu do opalania kotła produkującego
parę.  Do  ogłoszonego  przetargu  zgłosiła  się  tylko  jedna  firma,  tj.  INTEGRAL
(Niemcy),  z  którą  nie  uzyskano  porozumienia  zarówno  w  kwestiach
technicznych, jak i handlowych.

W związku z odstąpieniem od realizacji klimatyzacji opartej na produkcji

lodu  próżniowego  rozpatrzono  układ  skojarzony,  w  którym  wykorzystuje  się
metan  z odmetanowania do  zasilania silników gazowych i  napędu generatorów
energii  elektrycznej.  Wytworzone  ciepło  przeznaczone  jest  do  zasilania
c

hłodziarek absorpcyjnych, a część energii elektrycznej do napędzania

chłodziarek sprężarkowych w drugim stopniu chłodzenia.

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 6 -

Układ centralnej klimatyzacji w KWK „Pniówek”

W wyniku przeprowadzonych analiz układów klimatyzacji centralnej [1, 2]

wybrano do z

astosowania układ skojarzony energetyczno-chłodniczy oparty na

silnikach  gazowych    i  generatorach  energii  elektrycznej  oraz  chłodziarkach
absorpcyjnych  i  sprężarkowych.  Silniki  gazowe  zasilane  będą  metanem  z
odmetanowania kopalni. Ciepło wytworzone w tym procesie wykorzystane będzie
do  przemiany  w  chłodziarkach  absorpcyjnych  i  ochłodzenia  medium
chłodniczego  do  temperatury  około  7

C. Część wytworzonej przez generator

energii elektrycznej służyć będzie do zasilania sprężarek śrubowych i uzyskania
dalszego o

chłodzenia medium do temperatury około 3

C. Pozostała ilość energii

elektrycznej i ciepła wykorzystana będzie na potrzeby ruchowe kopalni. Schemat
skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego przedstawiono na rysunku 1.

Taki skojarzony układ energetyczno-chłodniczy (rys.1), w porównaniu do

układów opartych na zastosowaniu wyłącznie chłodziarek sprężarkowych,
charakteryzuje się koniecznością poniesienia wyższych nakładów w pierwszej
fazie realizacji inwestycji, natomiast od momentu uruchomienia instalacji

wpływy

za sprzedaną energię elektryczną, ciepło i korzyści uzyskane z
zagospodarowania

metanu

są

wyższe

ponoszonych

kosztów

eksploatacyjnych instalacji.

Przyjęty układ centralnej klimatyzacji w warunkach kopalni „Pniówek” o

docelowej  mocy  5,0  MW  będzie  realizowany  w  dwóch  etapach.  W  pierwszym
etapie  przewidzianym  na  listopad  1999  roku  zostanie  uruchomiony  system
centralnej  klimatyzacji  dla  mocy  równej  2,5  MW.  Natomiast  docelową  moc
chłodniczą 5,0 MW system centralnej klimatyzacji osiągnie w czerwcu 2000 roku
(rys.1).  Parametry  skojarzonego  układu  energetyczno-chłodniczego  zostały
przedstawione  na  rysunku  2.  Natomiast  na  rysunku  3  zamieszczono  realizację
płatności  między  SEJ  a  KWK  „Pniówek”  oraz  obciążenie  jednej  tony  węgla
kosztami klimatyzacji centralnej.

Aktualnie moc chłodnicza lokalnych urządzeń klimatyzacyjnych w

warunkach kopalni „Pniówek” osiągnęła wartość około 2,12 MW. Należy dodać,
że pomimo wprowadzenia centralnego systemu klimatyzacji nadal konieczne
będzie stosowanie lokalnych urządzeń chłodniczych w wyrobiskach ślepych
przewietrzanych wentylacją lutniową.

Na rysunku 1 przedstawiono system klimatyzacji skojarzonego układu

energetyczno-

chłodniczego na powierzchni. W pierwszym etapie zakładana moc

chłodnicza  2,5  MW  zostanie  osiągnięta  poprzez  agregat  chłodniczy  składający
się  z  dwóch  chłodziarek  absorpcyjnych  oraz  jednej  chłodziarki  sprężarkowej.
Sumaryczna moc agregatu chłodniczego wynosi 2 850 kW, przy przepływie wody
41,1  l/s.  Woda  powracająca  z  dołu  kopalni  o  temperaturze  18,0

C będzie

łodzona przez chłodziarki do temperatury 1,5

W drugim etapie moc chłodnicza będzie wynosić 5,0 MW. Do istniejącego

układu chłodniczego o mocy 2,5 MW zostanie równolegle dołączony identyczny
układ chłodniczy o mocy 2,5 MW. Zimna woda o temperaturze 1,5

C będzie

sprowadzana izolowanym rurociągiem na poziom 830 m do trójkomorowej śluzy
ciśnieniowej.

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 9 -

KWK „Pniówek”

Energia elektryczna

Zakup 39 500 MWh/rok

Z SEJ S.A.

za kwotę 4 787 000 zł

( 1MWh = 121,19 zł )

dla kopaln

i „Pniówek”

zyskiem jest wartość

zakupu pomniejszona o

koszty przesyłu

tj. o ~ 25% wartości

SEJ Jastrzębie

KWK „Pniówek”

REALIZACJA PŁATNOŚCI

SEJ Jastrzębie

KWK „Pniówek”

Rok

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

Obciążenie

jednej tony

klimatyzacją

centralną

2,26

2,85

2,86

2,18

1,78

1,77

0,65

0,52

0,53

Rys. 3. Schemat realizacji płatności między SEJ a KWK „Pniówek” oraz obciążenie

jednej tony węgla kosztami klimatyzacji centralnej

W pierwszym etapie moc chłodnicza 2,5 MW będzie przekazywana przez

wodę o masie równej 41,1 kg/s. Dla docelowej mocy chłodniczej 5,0 MW masa
wody będzie równa 82,2 kg/s. Natomiast dla perspektywicznej mocy chłodniczej
równej 10,0 MW masa wody wynosić będzie 164,4 kg/s.

Średnicę rurociągu w szybie dobrano zakładając, że średnia prędkość

przepływu wody zawiera się w przedziale 1 – 2 m/s. Z przeprowadzonych obliczeń
wynika, że w szybie należy zabudować rurociąg o średnicy 0,3 m.

Trójkomorowa śluza ciśnieniowa Siemag służy do transportu poddanej

wysokiemu ciśnieniu wody z rurociągu szybowego do wtórnego obiegu na poziomie
830  m  o  niskim  ciśnieniu.  Składa  się  z  trzech  komór  wodnych,  baterii  armatury
sterowanej  hydraulicznie  z  armaturą  wyrównawczą  oraz  elektrycznej  jednostki
sterującej.  Poprzez  cykliczne  napełnianie  komór  zimną  wodą  i  ciepłą  wodą  na
przemian  realizowany  jest  transport  zimnej  wody  chłodzącej  do  zasilania  obiegu
wtórnego oraz ciepłej wody z  obiegu wtórnego  na powrót  do obiegu pierwotnego.
Dzięki  zastosowaniu  trzech  komór  przepływ  jest  ciągły  z  niewielkimi  pulsacjami
ciśnienia.  Wymiary  trójkomorowej  śluzy  ciśnieniowej  odpowiednio  wynoszą:
wysokość  2,2  m,  długość  28  m  przy  szerokości  maksymalnie  1,2  m.  Dodatkowo
należy przewidzieć miejsce dla systemu hydraulicznego i sterowania elektrycznego
o długości około 2,0 m oraz wysokości 1,8 m.

Rok

Chłód

ys. zł]

2000

6 867,0

2001

8 858,0

2002

8 845,0

2003

6 732,0

2004

6 254,0

2005

6 220,0

2006

2 407,0

2007

1 953,0

2008

1 943,0

Rok

Metan

[tys. zł]

2000

1 051,0

2001

1 404,0

2002

1 370,0

2003

1 417,0

2004

1 406,0

2005

1 335,0

2006

1 411,0

2007

1 404,0

2008

1 374,0

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 10 -

Wielkość przepływu przez trójkomorową śluzę ciśnieniową Siemag

(zamówioną przez kopalnię) maksymalnie wynosi 300 m

/h przy przenoszonej

mocy chłodniczej równej 6,1 MW. Ciśnienie nominalne w obiegu pierwotnym
wynosi 10,0 MPa, natomiast ciśnienie robocze wynosi 9,5 MPa. W obiegu wtórnym
ciśnienie nominalne jest równe 4,0 MPa, a ciśnienie robocze wynosi 2,0 MPa.
Przewidywany przyrost temperatury w trójkomorowej śluzie ciśnieniowej równy jest
około 0,5

C, natomiast strata ciśnienia jest równa około 0,05 MPa. Temperatura za

trójkomorową śluzą wynosi +3,0

C ze średniogodzinową tolerancją równą



1,0

oraz z

tolerancją średniodobową równą



0,5

C. Należy dodać, że wymieniony

system charakteryzuje się niewielkim zużyciem energii elektrycznej oraz małymi
stratami ciepła.

Dysponując mocą chłodniczą dla rejonu wentylacyjnego możliwe jest

określenie  parametrów  chłodnic  powietrza.  Należy  dodać,  że  układ  chłodzenia
realizowany  będzie  przez  umieszczenie  baterii  chłodnic  połączonych  równolegle
przed  wlotem  do  ściany  w  odległości  nie  większej  niż  200  m.  Wraz  z  postępem
ściany  chłodnice  powietrza  będą  przebudowywane.  Zastosowany  sposób
charakteryzuje  się  tzw.  głębokim  schładzaniem  powietrza  przed  ścianą.  Szkic
układu chłodzenia został przedstawiony na rysunku 4.

Rys.4. Szkic układu chłodzenia. Rozprowadzenie rurociągów na poziomie 830 m

oraz w rejonach eksploatacyjnych - etap I

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 11 -

Na tym rysunku podano moc chłodnic powietrza niezbędną do zachowania

właściwych  warunków  klimatycznych  w  ścianie.  Do  obliczeń  mocy  chłodnic
powietrza  przyjęto  chłodnice  powietrza  typu  GK  o  mocy  chłodniczej  250  kW
i  350  kW.  W  pie

rwszym etapie niezbędne jest zainstalowanie czterech chłodnic

powietrza o mocy chłodniczej 250 kW oraz czterech chłodnic o mocy chłodniczej
350 kW. Natomiast dodatkowo w etapie drugim należy zainstalować dwie chłodnice
powietrza o mocy chłodniczej równej 250 kW oraz sześciu chłodnic powietrza o
mocy chłodniczej 350 kW.

Na poziomie 830 m zostanie utworzona sieć niskociśnieniowych izolowanych

rurociągów

rozprowadzających

zimną

wodę

chłodnic

powietrza

rozmieszczonych  w  rejonach  eksploatacyjnych.  Drogę  powrotną  od  chłodnic
powietrza  do  trójkomorowej  śluzy  ciśnieniowej  będą  stanowić  nieizolowane
rurociągi,  które  poprzez  dodatkowy  odbiór  ciepła  od  płynącego  powietrza  do
rejonów eksploatacyjnych będą chłodzić powietrze.

Rurociągi projektuje się tak, by zapewniały średnią prędkość przepływu około

2 m/s. Bilansując masę wody w poszczególnych gałęziach rurociągów określamy
ich średnice.

Przeprowadzone rozważania pozwoliły określić średnice rurociągów w sieci. W

głównych wyrobiskach na poziomie 830 m prowadzone będą rurociągi o średnicy
200 mm i zasadniczo 150 mm, natomiast w wyrobiskach rejonowych
poprowadzone będą rurociągi o średnicy 80 mm.

W pierwszym etapie wprowadzania układu centralnej klimatyzacji moc

chłodnicza  będzie  wynosić  2,5  MW.  Mając  na  uwadze  rozłożenie  eksploatacji  i
zagrożenie  klimatyczne  rejonów  optymalnym  rozwiązaniem  jest  poprowadzenie
rurociągów  do  rejonów  eksploatacyjnych  zaznaczonych  na  rysunku  4.  Na  tym
rysunku  zaznaczono  długość  odcinka  rurociągu,  średnicę,  moc  chłodnicy  i
temperaturę  na  wlocie  do  chłodnicy.  Dla  pierwszego  etapu  całkowita  długość
rurociągów izolowanych o średnicy 200 mm równa się około 1 050 m, natomiast o
średnicy  150  mm  około  2  340  m  oraz  o  średnicy  80  mm  około  6  010  m.  Należy
zaznaczyć,  że  są  to  długości  rurociągów  rozprowadzających  zimną  wodę  do
chłodnic powietrza. Stąd należy zapewnić dokładnie taką samą długość rurociągów
nieizolowanych dla odprowadzenia ciepłej powrotnej wody.

W czerwcu 2000 roku moc chłodnicza będzie wynosić 5,0 MW. Pozwoli to

objąć chłodzeniem powietrza wszystkie rejony prowadzące eksploatację. Rurociągi
z  zimną wodą w  drugim etapie należy poprowadzić zgodnie z rysunkiem 5, gdzie
zaznaczono  sieć  rurociągów  z  zimną  i  z  ciepłą  powrotną  wodą,  uwzględniając
średnicę  rurociągu.  Sumaryczne  długość  zabudowanych  rurociągów  w  drugim
etapie będzie wynosić około 7 000 m.

Bilans ciepła w dołowej sieci rurociągów

Obliczenia dotyczące systemu klimatyzacji oparte są na bilansach cieplnych.

Moc Q

centralnego systemu klimatyzacyjnego z agregatami chłodniczymi

okalizowanymi na powierzchni zwykle określa się po stronie wody i wyznacza się

z zależności:
Q

= m



T kW

(1)

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 13 -

gdzie:

– strumień masy chłodziwa, kg/s,

– ciepło właściwe chłodziwa, kJ (kgK),



– różnica temperatur wody wypływającej z parownika i powracającej z

dołu kopalni,

W rurociągu szybowym występują straty ciepła i temperatura wody płynącej w

dół podnosi się. Straty ciepła Q

wywołane przenikaniem ciepła przez ściankę

rurociągu w tym obiegu są równe:

Q



·d·k·h·



(2)

gdzie:

– średnica rurociągu, m,

– współczynnik wymiany ciepła miedzy powietrzem płynącym przez

wyrobisko a wodą w rurociągu, kW (m

K),

– pionowa długość rurociągu w szybie, m,



– średnia wartość różnicy temperatur powietrza płynącego w dół w

obiegu szybowym i wody

W przypadku rurociągu izolowanego termicznie współczynnik wymiany ciepła

wynosi k



3 W/(m

K), natomiast dla ruroc

iągu nieizolowanego k



30 W/(m

K).

Przyjmuje się, że w przypadku rurociągów izolowanych straty ciepła wyniosą około
10 % wartości wyznaczonych dla rurociągów bez izolacji cieplnej. Wartość
współczynnika k



3 W/(m

K) w przybliżeniu odpowiada współczynnikowi

przenikalności cieplnej





0,07 W/m.

Podczas ruchu wody w dół następuje konwersja jego energii potencjalnej na

energię wewnętrzną. Przyrost temperatury odpowiadający wzrostowi głębokości o
1 m jest równy [3]:



(3)

gdzie:

g = 9,80665 m/s

– przyśpieszenie ziemskie,

– oś pionowa zwrócona do góry, m,

– oś rurociągu o zwrocie zgodnym z kierunkiem przepływu chłodziwa, m.

W przypadku wody ciepło właściwe c

= 4,18 kJ/(kgK) i w związku z tym

przyrost temperatury wody na jednostkową głębokość wynosi:

K/m

346

4,18

80665





(4)

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 14 -

Zatem efektem konwersji energii jest przyrost temperatury wody o 2,346

C na

1 000 m głębokości. Efekt ten, z przeciwnym znakiem, zachodzi podczas przepływu
wody do góry i w związku z tym nie musi być uwzględniany przy obliczeniach mocy
cieplnej

agregatów chłodniczych. Jednak podczas dokonywania obliczeń

temperatury na trasie w izolowanych rurociągach efekt ten powinien być
uwzględniony.

Należy również przyjąć, że wydatek wody po stronie obiegu pierwotnego i

wtórnego jest jednakowy. Zatem straty ciepła Q

w izolowanych rurociągach

rozprowadzających zimną wodę między śluzą ciśnieniową a wodnymi chłodnicami
powietrza są równe:

Q

= m

– T

) = kF



(5)

gdzie:

– temperatura ochłodzonej wody wypływającej z trójkomorowej sluzy

ciśnieniowej,

– temperatura wody wpływającej do wodnej chłodnicy powietrza,



– różnica między średnimi temperaturami powietrza w wyrobisku i wody

w rurociągu,

– pole powierzchni wymiany ciepła, m

Podobnie można wyznaczyć straty ciepła Q

w rurociągu z powrotną wodą

między chłodnicami powietrza a trójkomorową śluzą ciśnieniową:

= m

– T

) = kF



(6)

Całkowita moc chłodnicza Q

układu klimatycznego jest sumą mocy chłodnic

powietrza Q

oraz strat ciepła na drodze wody:

= Q



str

(7)

gdzie:



str

– suma strat ciepła na drodze przepływu wody, kW.

Izolowane termicznie rurociągi z zimną wodą biegną z prądem świeżego

powietrza przez wyrobiska k

orytarzowe do miejsc lokalizacji wodnych chłodnic

powietrza. Tworzą sieć przewodów, w których przepływ wymuszony jest za pomocą
pompy. Przy sporządzaniu łącznego bilansu strat ciepła (2), (5), (6) uwzględnia się
sumaryczne pole powierzchni wymiany ciepła oraz średnią wartość różnicy
temperatur. Przy określaniu przybliżonych wartości przyrostów temperatur zakłada
się stałość parametrów fizycznych czynników przenoszących ciepło.

Długość rurociągu doprowadzającego wodę w szybie jest równa h = 830 m.

Straty ci

epła (2) w pierwszym obiegu wody sprowadzanej na poziom 830 m po

stronie rurociągu szybowego Q

= 25,3 kW. Przyrost temperatury wody w rurociągu

szybowym po uwzględnieniu wzrostu temperatury związanej z głębokością wynosi
dla mocy chłodniczej 2,5 MW 2,1

. Natomiast dla mocy chłodniczej równej

5,0 MW przyrost temperatury będzie równy 2,0

C. Stąd temperatura wody na

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 15 -

poziomie 830 m za trójkomorową śluzą ciśnieniową Siemag dla mocy chłodniczej
równej 2,5 MW będzie wynosić 4,1

C. Natomiast dla mocy

chłodniczej 5,0 MW

temperatura wody wynosić będzie 4,0

Obieg niskociśnieniowy stanowi sieć izolowanych termicznie rurociągów z

zimną wodą płynącą do chłodnic powietrza oraz nie izolowanych z wodą powrotną.
Na  podstawie  zamieszczonych  parametrów  rurociągów  i  obliczonych  strat  ciepła
obliczono  temperaturę  na  końcu  rozgałęzienia  i  dla  miejsca  rozgałęzienia  i  dla
miejsca  podłączenia  każdej  wolnej  chłodnicy  powietrza.  Najniższa  temperatura
wody doprowadzonej do chłodnicy powietrza wynosi 4,9

C dla partii

C w pokładzie

360/1. Natomiast najwyższa temperatura wody doprowadzonej do chłodnicy
powietrza wynosi 4,9

C dla partii B w pokładzie 401/1. Temperatura powrotnej

wody przed trójkomorową śluzą ciśnieniową Siemag wynosi około 19,9

natomiast na powierzchni jej temperatura wynosi 16,9

C. Na rysunku 4

zamieszczono  sieć  rurociągów  wraz  z  temperaturami  odpowiadającymi
rozprowadzanej  wodzie.  Przeprowadzono  również  obliczenia  dla  etapu  drugiego.
Wyniki obliczeń  zostały  zamieszczone  na rysunku 5. Najniższa temperatura wody
doprowadzonej do chłodnicy powietrza była równa 4,8

C dla partii C w pokładzie

360/1, natomiast największa wynosiła 5,7

C dla partii B w pokładzie 403/1.

Temperatura wody powracającej na powierzchni przed agregatami chłodniczymi
wyniosła 20,2

C, a na powierzchni wynosi ona 17,7

Należy zauważyć, że przyrost temperatury w obiegu niskociśnieniowym jest w

przybliżeniu równy obiegowi wysokociśnieniowemu. Stąd powracająca woda do
trójkomorowej śluzy ciśnieniowej będzie miała około 20,0

C. Na powierzchni na

wejściu do chłodziarki absorpcyjnej temperatura wody będzie równa około 17,0

Nieizolowane rurociągi z powracającą wodą z chłodnic powietrza będą

stanowić dodatkowe źródło chłodzenia powietrza w rejonach, ponieważ
temperatura wody powro

tnej będzie kształtować się na poziomie około 19

C, a

temperatura powietrza w rejonach eksploatacyjnych i w głównych wyrobiskach na
poziomie 830 m waha się w granicach od 22 do 27

Należy dodać, że rurociągi będą wyposażone w zawory zwrotne służące do

regulacji rozpływu wody w sieci rurociągów. Znajdują się zasadniczo za każdym
rozgałęzieniem rejonowym oraz w niektórych odgałęzieniach rurociągów głównych.
Lokalizację zasuw odcinających zamieszczono na rysunkach 4 i 5 odpowiednio dla
każdego etapu.

zeprowadzono obliczenia strat ciśnienia wskutek występowania oporów

liniowych w sieci rurociągów dołowych. Przyjęto do obliczeń, że wielkość strat
ciśnienia przy przepływie przez chłodnicę powietrza wyniesie 100 kPa. Obliczenia
wykonano dla nowych rur o ch

ropowatości bezwzględnej k = 0,1 mm. Mając na

uwadze wzrost oporów przepływu wody  wskutek zużycia należy się liczyć z około
10  %  wzrostem  oporów  przepływu  w  rurociągach  rozprowadzających  wodę.  Nie
uwzględniono  również  występujących  oporów  lokalnych  związanych  ze
zmniejszaniem i zwiększaniem średnicy rurociągów, zmianą kierunku prowadzenia
rurociągu  (kolana)  i  zaworów  zwrotnych.  Przyjęto,  że  lokalne  opory  przepływu
stanowią około 10 % całości oporów przepływu w rurociągach.

Dysponując stratami ciśnienia na poszczególnych drogach przepływu do

rejonów wentylacyjnych sporządzono schematy straty ciśnienia w rurociągach
rozprowadzających wodę na trasie od trójkomorowej śluzy ciśnieniowej do chłodnic

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 17 -

Rys.7. Schemat strat ciśnienia w rurociągach rozprowadzających wodę – etap II

Przerywaną linią zaznaczono wielkość straty ciśnienia jaką należy uzyskać na

zasuwie dławiącej, by zapewnić właściwą ilość wody dla chłodnic powietrza w
rejonach eksploatacyjnych.

Dysponując maksymalną stratą ciśnienia oraz ilością wody dla chłodnic

powietrza możliwe jest wyznaczenie punktu pracy pompy służącej na pokonanie
oporów przepływu w rurociągach rozprowadzających wodę do chłodnic powietrza.
Wielkość strat ciśnienia dla etapu I wynosi 1 540 kPa przy wydatku wody równym
41,1 kg/s. Natomiast dla etapu II maksymalna strata ciśnienia wynosi 1 633 kPa dla
masy wody równej 82,2 kg/s.

Podsumowanie

1.

W warunkach kopalni „Pniówek” przyjęto system centralnej klimatyzacji z
agregatami chłodniczymi na powierzchni i trójkomorową śluzą ciśnieniową typu
Siemag na poziomie 830 m. System ten będzie stanowił skojarzony układ
energetyczno-

chłodniczy wytwarzający oprócz energii chłodniczej również

energię elektryczną.

Przyjęty  układ  centralnej  klimatyzacji  w  warunkach  kopalni  „Pniówek”  o
docelowej  mocy  5,0  MW  będzie  realizowany  w  dwóch  etapach.  W  pierwszym
etapie  przewidzianym  na  listopad  1999  roku  zostanie  uruchomiony  system
centralnej  klimatyzacji  dla  mocy  chłodniczej  równej  2,5  MW.  Natomiast
docelową  moc  chłodniczą  5,0  MW  system  centralnej  klimatyzacji  osiągnie  w
czerwcu 2000 roku.

3. Woda o temperaturze 1,5

C będzie sprowadzana izolowanym rurociągiem o

średnicy  300  mm  na  poziom  830  m,  do  trójkomorowej  śluzy  ciśnieniowej.
Natomiast  powrotna  woda  z  poziomu  830  m  na  powierzchnię  do  agregatu
chłodniczego  transportowana  będzie  nieizolowanym  rurociągiem  o  średnicy
300 mm.

Trójkomorowa śluza ciśnieniowa Siemag (zamówiona przez kopalnię)
charakteryzuje się maksymalną wydajnością równą 300 m

/h przenosząc moc

chłodniczą równą 6,1 MW. Przyrost temperatury w trójkomorowej śluzie
ciśnieniowej wynosi około 0,5

Na  poziomie  830  m  zostanie  utworzona  sieć  niskociśnieniowych  izolowanych
rurociągów  rozprowadzających  zimną  wodę  do  chłodnic  powietrza
rozmieszczonych  w  rejonach  eksploatacyjnych.  Drogę  powrotną  od  chłodnic
powietrza  do  trójkomorowej  śluzy  ciśnieniowej  będą  stanowić  nieizolowane
rurociągi,  które  poprzez  dodatkowy  odbiór  ciepła  od  płynącego  powietrza  do
rejonów eksploatacyjnych będą chłodzić powietrze.

Chłodzenie  powietrza  w  wyrobisku  eksploatacyjnym  będzie  realizowane  przez
umieszczenie baterii chłodnic połączonych równolegle przed wlotem do ściany w
odległości nie większej niż 200 m. Wraz z postępem ściany chłodnice powietrza
będą  przebudowywane.  W  pierwszym  etapie  niezbędne  jest  zainstalowanie
czterech chłodnic powietrza o mocy chłodniczej 350 kW. Natomiast dodatkowo
w  etapie  drugim  należy  zainstalować  dwie  chłodnice  powietrza  o  mocy