Application of the GMC-1000 and GMC-2000 mine cooling units for central air-conditioning in underground mines

• Autorzy: Wojciechowski J.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie górniczego urządzenia chłodniczego GMC-1000 i GMC-2000 w centralnej klimatyzacji kopalń podziemnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper describes the design and results of operating measurements of the GMC-1000 and GMC- 2000 Mine Cooling Units. The first part describes the design of the cooling unit and its key components: the chiller, evaporator, condenser, oil cooler, evaporative water cooler and gallery air cooler. The possibilities of use in central air conditioning systems of underground mines are described. The second part discusses the results of the workstation and operating measurements and determines the coefficients for evaluating the performance of the mine cooling unit.

PL

Wraz ze wzrostem głębokości eksploatacji pogarszają się warunki pracy w wyrobiskach podziemnych, a w szczególności warunki klimatyczne związane ze wzrostem temperatury. Przy temperaturach pierwotnych górotworu przekraczających 40°C utrzymanie temperatury w wyrobiskach eksploatacyjnych poniżej wartości 28°C, uznawanej za wartość dopuszczalną ze względu na warunki pracy załogi, wymaga, oprócz zwiększonej wydajności wentylacji wyrobisk, także ich klimatyzacji. Można znaleźć wiele prac dotyczących tych zagadnień. Problemów klimatyzacji i chłodzenia wyrobisk dotyczą między innymi prace: Filka i jego zespołu (1999, 2002, 2004, 2006), Łuska i Nawrata (2002), Kalukiewicza i jego zespołu (2008). W krajowym górnictwie dotyczy to zarówno kopalń węgla kamiennego, jak też rud miedzi. W większości przypadków konieczność utrzymania wymaganych warunków klimatycznych w rejonie, przy jednoczesnym nacisku na ekonomiczną stronę procesu pozyskiwania kopalin, powodują konieczność stosowania klimatyzacji grupowej przy zastosowaniu urządzeń o dużej wydajności zlokalizowanych na dole kopalni. W niniejszym artykule omówiono wybrane zagadnienia doboru urządzeń klimatyzacji grupowej na przykładzie urządzenia chłodniczego GMC-1000 i GMC-2000. Konstrukcję urządzenia opracowano w firmie EUROTECH Sp. z o.o. przy współpracy z pracownikami Katedr Maszyn Górniczych Przeróbczych i Transportowych oraz Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie w ramach projektu dofinansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Górnicze urządzenie chłodnicze jest przeznaczone do chłodzenia powietrza wentylacyjnego w chodnikach wydobywczych kopani podziemnych. Znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie panują trudne warunki wydobywcze powodowane między innymi dużymi obciążeniami cieplnymi. Wysokie temperatury utrudniają prace górnicze. Powodują konieczność skrócenia czasu przebywania pracowników w rejonach o najwyższych temperaturach. W połączeniu z zapyleniem i wilgotnością stanowią istotny problem przy eksploatacji maszyn i urządzeń ścianowych. Agresywna atmosfera powoduje znacznie szybsze zużycie sprzętu. Problemy te uzasadniają konieczność stosowania systemów chłodzenia powietrza bezpośrednio w rejonach, w których prowadzone jest wydobycie. Górnicze urządzenie chłodnicze GMC stanowi kompletny system chłodzenia powietrza wentylacyjnego w chodnikach wydobywczych. Realizowane zadania powodują, że system ten musi być rozbudowany pod względem technicznym jak również przestrzennym. Część zadań stawianych przed urządzeniem chłodniczym jest realizowana w znacznej odległości od chodników wydobywczych. Dotyczy to przygotowania wody chłodzącej, która służy do schładzania powietrza w chłodnicach ścianowych. Woda z rejonu jej schładzania przepływa rurociągami do rejonów wydobywczych, gdzie jest wykorzystywana do chłodzenia powietrza. Urządzenie pracuje w układzie zamkniętym. Należy zwrócić uwagę, że system chłodzenia musi spełniać wszystkie wymagania określone przez odpowiednie przepisy górnicze dotyczące zasad eksploatacji i bezpieczeństwa. Podstawowymi elementami górniczego urządzenia chłodniczego są następujące aparaty (rys. 1): agregat chłodniczy, chłodnica wyparna wody, chłodnica chodnikowa powietrza. Wymienione aparaty są urządzeniami, w których następują przepływy ciepła. Mają one różny charakter w zależności od przeznaczenia danego elementu. Urządzenie chłodnicze jest uzupełnione dodatkowymi elementami, które są niezbędne do jego prawidłowego funkcjonowania. Do grupy tej należą maszyny z układami napędowymi wymuszające przepływy czynników w poszczególnych wymiennikach ciepła. Mamy tutaj wentylatory i sprężarki czynników gazowych oraz pompy do wody jak również cieczy technologicznych. Urządzenie chłodnicze musi być wyposażone w dodatkowy sprzęt i aparaturę kontrolno-pomiarową. Konieczne są filtry do gazu i cieczy. Czujniki przepływu, temperatury i ciśnienia. Schemat górniczego urządzenia chłodniczego z opisem poszczególnych elementów jest pokazany na rysunku 1. W ramach projektu celowego nr 6 ZR8 2007C/06934 wykonane zostało Górnicze Urządzenie Chłodnicze przeznaczone do klimatyzacji grupowej (centralnej) w kopalniach podziemnych. Konstrukcję urządzenia opracowano w firmie EUROTECH Sp. z o.o. przy współpracy z pracownikami Katedry Maszyn Górniczych Przeróbczych i Transportowych oraz Katedry Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Prototyp urządzenia był badany w WUCH „PZL - Dębica” S.A., następnie przeszedł próby ruchowe w O. ZG „ Rudna”. Obecnie kilka egzemplarzy górniczego urządzenia chłodniczego jest eksploatowanych w kopalniach węgla kamiennego. Prototyp urządzenia GMC-1000 miał moc chłodniczą 1000 kW, wykonano również egzemplarz GMC-2000 o mocy chłodniczej 2000 kW. W tabelach 1-3 przedstawiono wyniki pomiarów agregatu GMC-1000 przeprowadzonych na prototypie oraz wyniki uzyskane w czasie eksploatacji w Kopalni Węgla „Rydułtowy-Anna”, tabela 4 zawiera wyniki uzyskane w czasie eksploatacji urządzenia GMC-2000 w Kopalni Węgla „Bielszowice”. Urządzenie chłodnicze w kopalni „Rydułtowy- Anna” pracuje od lutego 2009. W trakcie prób, za pomocą regulatora wydajności, zmieniano wydajność sprężarki chłodniczej. Regulator wydajności zapewnia płynną regulację strumienia od 0% do 100%. Ilość sprężanych par czynnika R134a w danej chwili, a tym samym zmianę wydajności sprężarki, uzyskuje się za pomocą sterowanego hydraulicznie suwaka regulacji wydajności. Temperatura wody lodowej dopływającej do parownika (tw5) była stabilna w trakcie poszczególnych pomiarów, ale specyfika stanowiska nie pozwalała na utrzymanie stałej wartości temperatury dla kolejnych prób. Wynikał stąd rozrzut wartości tw5 w granicach 11,1°C do 17,4°C. Kolejną wielkością regulowaną była temperatura parowania to (cienienie parowania), która w trakcie pomiarów była zmieniana w granicach -1,4°C do +1,4°C. Badania eksploatacyjne miały na celu sprawdzenie przydatności agregatu do pracy w warunkach kopalnianych. Poszczególne próby były realizowane przy różnych wartościach nastaw i wielkości wejściowych układu. Brak możliwości ustalenia wartości wybranych parametrów wynikał z faktu przeprowadzania pomiarów w czasie prowadzenia prac wydobywczych w O.ZG „Rudna”. Wartości wielkości wejściowych zależały od chwilowego stanu obciążeń i warunków otoczenia. Temperatura wody lodowej dopływającej do parownika była stabilna w trakcie poszczególnych pomiarów (tylko te były przyjmowane jako reprezentatywne), ale zmieniała się ze względu na współpracę agregatu z działającymi w wyrobisku chłodnicami powietrza. Temperatura tw5 zmieniała się w granicach 12,7°C÷19,1°C. Kolejną wielkością regulowaną była temperatura parowania to (ciśnienie parowania), która w trakcie pomiarów zmieniała się w granicach -1,1°C. Uzyskane przez górniczą maszynę chłodniczą GMC-1000 i GMC-2000 wartości parametrów pracy na stanowisku badawczym i przy próbach ruchowych potwierdziły przyjęte założenia projektowe. Wartości parametrów założone na etapie projektowania zostały osiągnięte w trakcie badań stanowiskowych. Założona moc chłodnicza wynosiła 1000 kW, w czasie pomiarów udało się osiągnąć moc chłodniczą 1250 kW. Moc ta została osiągnięta przy 100% nastawie suwaka regulującego przepływ czynnika chłodniczego przez sprężarkę i spadku temperatury wody lodowej w parowniku 11,4 K. Wynik ten daje 25% zapas mocy chłodniczej względem mocy chłodniczej nominalnej, spadek temperatury wody lodowej, w tym przypadku, jest mniejszy o 15,5% w stosunku do założonego. Zapas mocy jest większy w stosunku do niedoboru spadku temperatury oznacza to, że możliwe jest osiągnięcie wymaganego spadku temperatury nawet przy mniejszych mocach chłodniczych. Stwarza to możliwość regulacji parametrów pracy urządzenia chłodniczego w szerokim zakresie. W kilku pomiarach uzyskane temperatury schłodzenia wody były korzystniejsze niż to założono na etapie projektowania GMC. Szerokie przedziały zmienności wartości parametrów stwarzają duże możliwości sterowania pracą górniczych maszyn chłodniczych GMC-1000 i GMC-2000. Osiągnięcie wymaganego stopnia schłodzenia wody lodowej pozwoli na wymagane schłodzenie powietrza w chłodnicy ścianowej. Rezultaty uzyskane w czasie prób stanowiskowych, ruchowych i eksploatacji w kopalniach pozwalają na stwierdzenie, że górnicza maszyna chłodnicza może być eksploatowana w centralnych układach klimatyzacyjnych kopalń podziemnych.

Słowa kluczowe

EN

central air conditioning of underground mines; cooling unit; evaporator; condenser; cooling power

PL

centralna klimatyzacja kopalń podziemnych; agregat chłodniczy; parownik; skraplacz; wydajność chłodnicza; obieg lewobieżny

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 1
• Strony: 199--216
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wojciechowski J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Power Systems and Environmental Protection Facilities, A. Mickiewicza 30 Ave., 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• Filek K., Holesz K., Nowak B., Roszkowski J., 1999. Chłodzenie powietrza górniczą chłodnicą przeponową z kondensacjąpary wodnej. Archives of Mining Sciences, Vol. 44, No. 1, p. 3-21.
• Filek K., Nowak B., 2002. Mathematical Description of the Mining Electric Air Refrigerator. Archives of Mining Sciences, Vol. 47, No. 3, p. 311-331.
• Filek K., Łuska P., Nowak B., Roszkowski J., 2004. Badania małogabarytowej wodnej chłodnicy ścianowej. Archives of Mining Sciences, Vol. 49, No. 4, p. 611-629.
• Filek K., Nowak B., 2006. Calorific effect evaporator from mine compressing refrigerator with different refrigerants. Archives of Mining Sciences, Vol. 51, No. 2, p. 163-180.
• Kalukiewicz A., Gospodarczyk P., Wojciechowski J. i in., 2008. Górnicze urządzenie chłodnicze GMC-1000 dla klimatyzacjigrupowej w kopalniach głębinowych. Maszyny Górnicze 3, 52-59.
• Łuska P., Nawrat S., 2002. Klimatyzacja kopalń podziemnych - urządzenia chłodnicze. Biblioteka Szkoły Eksploatacji podziemnej. Kraków.
• Structural engineering, execution and tests of the prototype of the mine cooling unit for collective air conditioning of underground mine excavation; the Targeted Project no. 6 ZR8, 2007C/06934; task 15: Analysis of the results of tests of a non-commercial cooling unit: task 17: Analysis of the results of tests and verification of the parameters of the cooling system equipment. Unpublished material.