DE913405C

DE913405C - Process to increase the cooling effect and economy of compressed air in mining operations

Info

Publication number: DE913405C
Application number: DEG5657A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Eduard Dufey; Dr-Ing Werner Hartmann
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Current assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Priority date: 1951-04-13
Filing date: 1951-04-13
Publication date: 1954-06-14

Description

Verfahren zur Steigerung der Kühlwirkung und Wirtschaftlichkeit von Druckluft in Grubenbetrieben Neben der Wetterluft ist trotz einiger im Bergbau aufgestellter, mit zugeführtem Kühlwasser betriebener Kaltdampfmaschinen bis heute die Druckluft der wichtigste Träger nicht nur für die Energiezufuhr, sondern auch für den Abtransport von Wärme aus den Grubenbauen zur Erreichung eines erträglichen Arbeitsklimas. Betrachtet man die bei Druckluft angewandten Verfahren im Hinblick auf ihre Leistungs- oder Kühlziffer, d. h. auf das Verhältnis der geförderten Wärmemenge und geleisteten Arbeit zu dem dafür aufzuwendenden Energieanteil, so zeigt sich, daß diese Ziffer bei allen Verfahren, die mit dem normalen Druck von etwa 7 ata am Kompressor und vollständiger Expansion in einer Stufe arbeiten, im Vergleich zu der Kühlziffer, die man hei der Bewetterung erreicht, sehr niedrig ist. Es wurde bereits vorgeschlagen, die Expansion, ausgehend vom normalen Netzdruck, in zwei Stufen mit Zwischenerwärmung durchzuführen. Dabei läßt sich schon eine bessere Ausnutzung der Druckluftenergie und damit auch eine günstigere Kühlziffer, insbesondere beim Blasversatz, erreichen.Process to increase the cooling effect and economy of Compressed air in mining operations In addition to the weather air, despite some Cold steam machines operated with supplied cooling water continue to provide compressed air to this day the most important carrier not only for the supply of energy, but also for its removal of heat from the mine workings to achieve a tolerable working atmosphere. Considered the processes used for compressed air in terms of their performance or Cooling number, d. H. on the relationship between the amount of heat conveyed and the amount of heat produced Work on the proportion of energy to be expended, it shows that this figure in all procedures that use the normal pressure of about 7 ata on the compressor and full expansion work in one stage, compared to the cooling factor, which can be reached with ventilation is very low. It has already been suggested the expansion, based on the normal network pressure, in two stages with intermediate heating perform. Better utilization of the compressed air energy can be achieved here and thus also achieve a more favorable cooling factor, especially with the blow offset.

Ferner hat man etwas über den Netzdruck hinaus verdichtete Druckluft zuerst in einer vorgeschalteten Turbine bis auf den Netzdruck und dann in nachgeschalteten Maschinen weiter entspannt. Bei einem dahingehenden, bekannten Vorschlag erfolgt die erste Teilentspannung -über Tage im Anschluß an einen Verdichter mit Zwischenschaltung von Wärmeaustauschern und eines Wasserabscheiders; dabei kommt es in erster Linie auf die Entfeuchtung der Druckluft an, da die fühlbare Kälte auf dem langen Weg in die Grubenbaue ohnehin zum größten Teil wieder verlorengeht, sofern nicht eine mit erheblichen zusätzlichen Kosten verbundene Isolierung der Schacht-und Streckenleitungen vorgesehen ist. Die bis auf den Netzdruck entspannte Druckluft wird dann unter Tage Expansionswerkzeugen, deren Abluft zur Grubenklimatisierung ausgenutzt wird, und einer Turbine zugeleitet, die zum Antrieb eines Verdichters und einer Entspannungsturbine dient, welche gemeinsam in einen Kältekreislauf eingeschaltet sind.Furthermore, one has compressed air compressed somewhat beyond the network pressure first in an upstream turbine up to the network pressure and then in downstream Machines further relaxed. In a pertinent, known proposal takes place the first partial relaxation -above days following a compressor with interconnection of heat exchangers and a water separator; this is where it comes first and foremost on the dehumidification of the compressed air, since the palpable cold the long way into the mine workings is lost for the most part anyway, provided that not an insulation of the shaft and which is associated with considerable additional costs Route lines is provided. The compressed air, which is relaxed down to the network pressure Then underground expansion tools, the exhaust air for the pit air conditioning is used, and fed to a turbine that drives a compressor and an expansion turbine is used, which is switched on together in a refrigeration cycle are.

Leitet man dagegen die höhergespannte und auf Umgebungstemperatur rückgekühlte Druckluft bis zu den heißen Betriebspunkten unter Tage und entspannt sie erst dort zur Gewinnung von freier Kälte auf den Netzdruck in zwei oder mehr Stufen mit jeweiliger Zwischenerwärmung, so ergeben sich verschiedene Vorteile, nämlich kleinere Abmessungen des Endkühlers und Wasserabscheiders über Tage und eventueller Wärmetauscher unter Tage, kleinerer Wassergehalt der Druckluft nach dem Endkühler bei gleicher Temperatur, geringere Leitungswiderstände, höhere Selbstverdichtung der Luft, Einstellbarkeit des günstigsten Arbeitsdruckes getrennt für jedes Revier durch Regelung der Vorschaltmaschine, Wegfall sämtlicher elektrisch angetriebener Zwischenverdichter und schließlich Steigerung der Speicherfähigkeit des Druckluftnetzes.On the other hand, if you conduct the higher voltage and to ambient temperature Recooled compressed air down to the hot operating points underground and relaxed they only there for the production of free cold on the network pressure in two or more Stages with respective intermediate heating, there are various advantages, namely smaller dimensions of the end cooler and water separator above days and possible underground heat exchangers, lower water content in the compressed air the end cooler at the same temperature, lower line resistance, higher self-compression the air, adjustability of the most favorable working pressure separately for each area by regulating the upstream machine, eliminating all electrically driven ones Intermediate compressor and finally an increase in the storage capacity of the compressed air network.

Alle diese Vorteile konnten jedoch bisher den Bergbau nicht veranlassen, die praktische Anwendung einer wesentlichen Steigerung des üblichen Kompressionsenddruckes zu erwägen, da z. B. ein Abbauhammer mit Wärmetauscher undenkbar und eine zweistufige Entspannung zum Antrieb hintereinandergeschalteter, verschiedenartiger Arbeitsmaschinen wegen der unterschiedlichen Einsatzzeiten derselben kaum durchführbar ist, die Aufstellung eines Generators zur Stromerzeugung und die Ableitung der Wärme auf dem Umweg über die elektrische Energie aber aus Gründen der Sicherheit und Einfachheit nicht immer angebracht ist.However, none of these advantages have so far prompted the mining industry to the practical application of a substantial increase in the usual compression end pressure to consider, since z. B. a pick hammer with heat exchanger unthinkable and a two-stage Relaxation to drive various types of work machines connected in series because of the different operating times of the same is hardly feasible, the list a generator to generate electricity and dissipate the heat by way of a detour but not always electrical energy for reasons of safety and simplicity is appropriate.

Die vorerwähnten Schwierigkeiten sollen nun gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch beseitigt werden, daß die bei einer unter Tage durchgeführten Teilentspannung von Luft höheren Druckes bis auf den Netzdruck in einer Vorschaltmaschine frei werdende Arbeitsenergie zum Antrieb eines ein- oder mehrstufigen Verdichters und die dabei frei werdende Kälte mindestens teilweise zur indirekten Abkühlung der aus der Umgebung angesaugten Wetterluft verwendet werden. Die Arbeitsleistung des Untertageverdichters wird zur Erzeugung zusätzlicher Druckluft aus angesaugter Wetterluft als Antriebsmittel für entsprechende Maschinen oder Geräte verwendet; sie kann aber auch in an sich bekannter Weise zur Verdichtung eines im Kreislauf geführten Kälteträgers dienen, sofern das dazu erforderliche Kühlwasser in ausreichender Menge und Beschaffenheit vorhanden ist. Die Teilentspannung der Druckluft erfolgt bei größeren Luftmengen zweckmäßig in einer Turbine, die auf der gleichen Welle einen Kreiselverdichter antreibt; gegebenenfalls läßt sich dafür aber auch eine Kolbenmaschine in Verbindung mit einem Zellenradverdichter od. dgl. vorsehen.The aforementioned difficulties should now be in accordance with the invention can essentially be eliminated by the fact that the one carried out underground Partial relaxation of air of higher pressure down to the network pressure in an upstream machine The work energy released to drive a single or multi-stage compressor and the cold released in the process, at least in part, for indirect cooling the weather air sucked in from the environment can be used. The job performance of the underground compressor is sucked in to generate additional compressed air Weather air used as a drive means for corresponding machines or devices; but it can also be used in a manner known per se to compress one in the circuit Guided coolant are used, provided that the cooling water required for this is sufficient Quantity and texture is available. The compressed air is partially released for larger amounts of air it is advisable to use a turbine on the same shaft drives a centrifugal compressor; if necessary, however, a Provide piston machine in connection with a rotary compressor or the like.

Grundsätzlich ist zur Erreichung einer günstigen Leistungsziffer ein möglichst geringes Druckverhältnis in der Entspannungsturbine anzustreben. Ein Druck vor der Turbine von 5o ata, wie er für den Generatorantrieb vorgeschlagen wurde, ergibt zwar eine große Kälteleistung, erfordert aber einen zu höhen Energieaufwand am Kompressor und eine unbequeme Vielstufigkeit bei der Expansion. Wählt man dagegen vor der Turbine einen Druck zwischen io und 15 ata, der auf den Netzdruck von 5 bis 6 ata entspannt wird, so erhält man eine Leistungsziffer, die etwa dreimal so groß ist wie bei der üblichen und bisher günstigsten Kälteerzeugung durch Druckluftmaschinen, die Hubarbeit leisten.Basically, in order to achieve a favorable performance figure, a to aim for the lowest possible pressure ratio in the expansion turbine. Impression in front of the turbine of 5o ata, as it was proposed for the generator drive, Although it results in a large cooling capacity, it requires too much energy on the compressor and an inconvenient multi-stage expansion. If you choose against it in front of the turbine a pressure between io and 15 ata, which corresponds to the network pressure of 5 until 6 ata is relaxed, you get a performance figure that is about three times that is as large as with the usual and so far cheapest refrigeration by compressed air machines, do the lifting work.

Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die in zwei oder mehr Stufen teilweise entspannte Druckluft ihre Kälte in Wärmeaustauschern direkt an die Wetterluft oder an einen Zwischenträger abgibt, wobei die Luft jeweils so weit wieder erwärmt wird, daß der Gefrierpunkt für das Kondenswasser nicht oder nicht wesentlich unterschritten wird. Ferner empfiehlt es sich, die Kälte der entspannten Druckluft nur teilweise, und zwar im tieferen Temperaturbereich, an die unverdichtete Wetterluft zu übertragen, im höheren Bereich dagegen zur Zwischenkühlung der aus dem Wetterstrom abgezweigten und in mehreren Stufen verdichteten Luft oder zur Rückkühlung des im Kreislauf geführten Kälteträgers zu verwenden.Further features of the invention are that the two or more stages partially relaxed compressed air its cold in heat exchangers directly to the weather air or to an intermediate carrier, the air in each case so is heated again far enough that the freezing point for the condensation water is not or is not significantly undercut. It is also advisable to take the cold out of the relaxed Compressed air only partially, in the lower temperature range, to the non-compressed To transmit weather air, in the higher area on the other hand for intermediate cooling of the off The air diverted from the flow of air and compressed in several stages or for recooling of the circulating refrigerant to be used.

Die Arbeitsweise einer derartigen Druckluftanlage für Grubenbetriebe geht aus zwei in der Zeichnung in je einem Schaltschema dargestellten Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung hervor.How such a compressed air system works for mining operations is based on two possible embodiments shown in the drawing, each in a circuit diagram of the invention.

In der Anlage gemäß Fig. i wird die in einem Kompressor i über Tage auf einen Druck von beispielsweise 15 ata verdichtete, in einem nicht dargestellten Nachkühler auf etwa 2o° C abgekühlte und entwässerte Druckluft unter Tage entsprechend dem ausgezogenen Linienzug geführt, wobei sie eine als Kühlaggregat dienende zweistufige Turbine 2, 3 und zur Abgabe der bei der Teilentspannung in jeder Turbinenstufe entstehenden Kälte vier Wärmeaustauscher 4 bis 7 durchströmt, von denen je zwei Austauscher 4, 5 bzw. 6, 7 zwischen und hinter den beiden Turbinenstufen angeordnet sind. Im Anschluß daran wird die Druckluft bei 8 den in Betracht kommenden Verbrauchern, wie Bohrhämmern, Haspeln usw., zugeführt.In the system according to FIG. I, the in a compressor i is above days compressed to a pressure of, for example, 15 ata, in a not shown Aftercooler cooled to about 20 ° C and dewatered compressed air underground accordingly guided by the solid line, with a two-stage serving as a cooling unit Turbine 2, 3 and for the delivery of the resulting from the partial expansion in each turbine stage Cold flows through four heat exchangers 4 to 7, each of which has two exchangers 4, 5 and 6, 7 are arranged between and behind the two turbine stages. In connection the compressed air is then used by the consumers in question, such as rotary hammers, Reels, etc., supplied.

Der durch einen gestrichelten Linienzug bezeichnete Wetterstrom tritt bei 9 ein und teilt sich dann in der Weise, daß zwei Zweigströme durch je einen der beiden Wärmeaustauscher 4, 6 geführt und anschließend wieder vereinigt werden, während der dritte Zweigstrom durch einen von der Turbine 2, 3 angetriebenen dreistufigen Kompressor io bis 12 und zwischen den einzelnen Stufen desselben durch die Wärmeaustauscher 5, 7 geführt wird. Durch die in den letzteren erfolgende Zwischenkühlung wird der Arbeitsaufwand für die Verdichtung der zusätzlichen Druckluft verringert. Die in den Austauschern 4, 6 durch die entspannte Druckluft gekühlte Wetterluft wird anschließend bei 13 den heißen Betriebspunkten zugeführt.The weather flow indicated by a dashed line occurs at 9 and then divides in such a way that two branch flows are passed through one of the two heat exchangers 4, 6 and then reunited, while the third branch flow passes through one of the turbine 2, 3 driven three-stage compressor io to 12 and between the individual stages of the same through the heat exchanger 5, 7 is performed. The intermediate cooling that takes place in the latter reduces the amount of work required to compress the additional compressed air. The weather air cooled in the exchangers 4, 6 by the expanded compressed air is then fed to the hot operating points at 13.

Die übrige Wetterluft wird in dem Kompressor 1o bis 12 auf einen für den Antrieb der vorhandenen Arbeitsmaschinen erforderlichen Druck verdichtet und diesen Maschinen bei 14 zugeführt. Wenn die zusätzlich erzeugte Druckluft zu dem gleichen Zweck wie die zur Bildung und Abgabe von Kälte teilentspannte Druckluft verwendet wird, können die beiden betreffenden Austrittsleitungen 14, 8 zu einer einzigen Leitung vereinigt werden.The remaining weather air is in the compressor 1o to 12 on one for compresses the pressure required to drive the existing work machines and fed to these machines at 14. If the additionally generated compressed air to the same purpose as the compressed air, which is partially expanded to form and release cold is used, the two outlet lines 14, 8 in question can become one be united in a single line.

Wenn die teilentspannte Druckluft und die verdichtete Teilmenge des Wetterstromes getrennt zu den Arbeitsmaschinen geführt werden, braucht nur die Leitung der letzteren isoliert zu werden. Diese Luft wird wegen ihrer höheren Temperatur zweckmäßig den größeren, stationären Arbeitsmaschinen zugeführt, bei denen sich die Mehrleistung infolge des größeren Anteiles an Expansionsarbeit stärker bemerkbar macht. Auch sind die betreffenden Maschinen unempfindlicher gegen Verunreinigungen der Luft, die beim Wetterstrom möglich sind.When the partially expanded compressed air and the compressed part of the Weather stream are fed separately to the work machines, only the line needs the latter to be isolated. This air is because of its higher temperature expediently fed to the larger, stationary work machines in which the increased performance due to the larger share of expansion work is more noticeable power. The machines in question are also less sensitive to contamination the air that is possible with the current of the weather.

Bei Vereinigung der beiden betreffenden Luftströme stellt sich eine Mischtemperatur ein, die höher als die Temperatur der Umgebungsluft ist und dadurch die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad aller von ihr angetriebenen Arbeitsmaschinen und Werkzeuge verbessert; deshalb ist es zweckmäßig, diese Mischleitung gegen Wärmeverluste zu isolieren.When the two air flows in question come together, a Mixing temperature that is higher than the temperature of the ambient air and thereby the performance and efficiency of all work machines it drives and tools improved; therefore it is advisable to protect this mixed pipe against heat loss to isolate.

In der anderen Anlage gemäß Fig. 2 wird übereinstimmend mit der ersten Ausführung die über Tage in dem Kompressor i erzeugte Druckluft von etwa 15 ata unter Tage in der zweistufigen Turbine 2, 3 bis auf den normalen Netzdruck entspannt und in diesem Zustand hei 8 den verschiedenen Verbrauchern zugeführt. Der ganze Weg dieses Luftstromes ist durch einen dick ausgezogenen Linienzug bezeichnet. In den Weg der bei 9 eintretenden und längs des dick gestrichelten Linienzuges geführten Wetterluft sind drei Wärmeaustauscher 4, 6, 15 parallel zueinander eingeschaltet; nach entsprechender Kühlung in diesen Austauschern wird der Wetterstrom bei 13 den heißen Betriebspunkten zugeleitet.In the other system of FIG. 2 is coincident with the first embodiment, the ata over days in the compressor i generated compressed air from about 1 5 underground in the two-stage turbine 2, 3 to relax to the normal mains pressure and in this state hei 8 to supplied to various consumers. The entire path of this air flow is indicated by a thick line of lines. In the path of the weather air entering at 9 and guided along the thick dashed line, three heat exchangers 4, 6, 15 are switched on parallel to one another; after appropriate cooling in these exchangers, the air flow is fed to the hot operating points at 13.

Außerdem sind in diesem Schema noch zwei weitere Linienzüge eingetragen, von denen der dünn ausgezogene den geschlossenen Kreislauf eines geeigneten Kälteträgers, z. B. Frigen, darstellt. In diesen Kreislauf sind ein mit der Turbine 2, 3 gleichachsig angeordneter und von dieser angetriebener einstufiger Verdichter 16 und ein Drosselventil 17 eingeschaltet. Auf dem Wege vom Drosselventil zum Verdichter wird der Kälteträger durch den im Zuge des Wetterstromes liegenden Wärmeaustauscher 15 und auf dem Wege vom Verdichter zum Drosselorgan durch drei weitere Wärmeaustauscher 18 bis 2o geleitet, von denen die Austauscher 18, i9 in die (stark ausgezogene) Leitung der teilentspannten Druckluft hinter der ersten bzw. zweiten Turbinenstufe eingeschaltet sind, während der Austauscher 2o an eine dünn gestrichelte Kühlwasserleitung angeschlossen ist.In addition, two more lines are entered in this scheme, of which the thinly drawn out the closed circuit of a suitable refrigerant, z. B. Frigen represents. In this circuit are one with the turbine 2, 3 coaxial arranged and driven by this single-stage compressor 16 and a throttle valve 17 switched on. The refrigerant is used on the way from the throttle valve to the compressor through the heat exchanger 15 located in the course of the weather flow and on the way passed from the compressor to the throttle element through three further heat exchangers 18 to 2o, of which the exchangers 18, 19 in the (strongly drawn out) line of the partially relaxed Compressed air behind the first and second turbine stage are switched on while the exchanger 2o is connected to a cooling water line with a thin dashed line.

Bei der zweiten Ausführung wird also keine zusätzliche Druckluft erzeugt, sondern eine Kälteanlage betrieben und dadurch mittelbar die Kühlwirkung der mit höherem als dem Netzdruck zugeführten Druckluft auf die Wetterluft noch mehr gesteigert. Nachdem der Kälteträger die durch seine Entspannung im Drosselventil 17 frei werdende Kälte bei gleichzeitiger Verdampfung im Austauscher 15 an die Wetterluft abgegeben hat, wird er im Verdichter 16 wieder auf höheren Druck gebracht. In den Austauschern 18 bis 20 findet eine Rückkühlung des Kälteträgers statt, dessen Temperatur durch die Wärmeaufnahme aus der Wetterluft und die nachfolgende Verdichtung gestiegen ist. Da die teilentspannte Druckluft vorher bereits in den Austauschern 4 und 6 zur Kühlung der Wetterluft ausgenutzt worden ist, kann sie den Kälteträger in den nachgeschalteten Austauschern 18, i9 nicht mehr so stark abkühlen, daß er kondensiert. Um diese Kondensation zu erreichen, muß deshalb zur Rückkühlung des Kälteträgers noch der dritte Austauscher 20 Vorgesehen werden.In the second version, no additional compressed air is generated, but a refrigeration system operated and thereby indirectly the cooling effect of the higher than the network pressure supplied compressed air on the weather air is increased even more. After the refrigerant is released by its relaxation in the throttle valve 17 Cold released into the weather air with simultaneous evaporation in exchanger 15 has, it is brought back to a higher pressure in the compressor 16. In the exchangers 18 to 20 a re-cooling of the refrigerant takes place, its temperature through the heat absorption from the weather air and the subsequent compression increased is. Since the partially expanded compressed air is already in exchangers 4 and 6 has been used to cool the weather air, it can transfer the coolant into the downstream exchangers 18, 19 no longer cool down so much that it condenses. In order to achieve this condensation, the refrigerant must therefore be recooled the third exchanger 20 can still be provided.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Process to increase the cooling effect and economy of compressed air in mining operations through partial expansion of more highly compressed air in an upstream machine to the normal network pressure and utilization of the resulting Cold, characterized in that it takes place underground in such a case Partial relaxation of the compressed air The work energy released to drive a single or multi-stage compressor and the resulting cold at least partially can be used for indirect cooling of the air sucked in from the environment.

2. The method according to claim i, characterized in that the partial relaxation The work energy released by the compressed air to create additional compressed air is used, which is generated by compressing weather air sucked in from the environment and is made usable in downstream machines.

3. Procedure according to Claim i, characterized in that the partial expansion of the compressed air work energy released to compress a special, known per se Way circulating refrigerant is used.

4. Procedure according to the Claims i and 2 or 3, characterized in that the partially relaxed Compressed air is cold in heat exchangers (4 to 7 or 4, 6, 18, i9) at releases the weather air and / or to an intermediate carrier.

5. The method according to claim 4, characterized in that the compressed air is partially expanded in at least two stages (2, 3) and so far after each expansion stage in one or more heat exchangers is warmed up so that, in a known way, the freezing point for the condensation water is not significantly undercut.

6. The method according to claim 4, characterized in that that the cold of the partially expanded compressed air in the lower temperature range to the'uncompressed Transfer MTetter air and in the higher temperature range for intermediate cooling of the branched off from the weather stream and compacted in several stages (io to 12) Air is used.

7. The method according to claims i and 2, characterized in that the compressed air obtained from the air stream is fed to special consumers separately from the partially relaxed compressed air. B. The method according to claims i and 2, characterized in that the compressed air obtained from the weather flow is mixed with the partially relaxed compressed air and both quantities of compressed air are fed together to the consumers connected to the network. G. Method according to claims i and 3, characterized in that the refrigerant evaporated by expansion in a throttle valve (17) and subsequent release of cold to the weather air is recooled after compression in heat exchangers (18, ig) by means of the partially expanded compressed air and then in one to one Cooling water line connected condenser (2o) is converted back into the liquid state. Printed publications: BBC announcements Nov./Dec. 1943, pp. 310-313; November issue of Demag - Nachrichten 1943, pp. Io and 12.