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Sonderbewetterung langer Vortriebe (ist eine Druckluftbewetterung möglich und sinnvoll?)

Forschungsarbeit 1995 96 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Bergbau

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Voraussetzungen
1.2 Örtliche und klimatische Verhältnisse
1.3 Kosten der Sonderbewetterung

2 Physikalisch-technische Grundlagen
2.1 Sonderbewetterung
2.1.1 Sonderbewetterungsalternativen
2.1.2 Betriebsmittel zur Sonderbewetterung
2.1.3 Strömungsverhältnisse vor Ort und Entstaubung
2.1.4 Berechnungen
2.1 5 Lüfteraufstellung
2.2 Klima
2.2.1 Klimabeeinflussende Parameter
2.2.2 Wärmeübertragung an Lutten und Rohrleitungen
2.2.3 Stoffübertragung durch Verdunstung
2.3 Drucklufttechnik
2.3.1 Verdichtung
2.3.2 Druckabfall in Rohrleitungen
2.3.3 Expansion

3 Sonderbewetterungsalternativen
3.1 Druckabfall in der Druckluftrohrleitung
3.2 Beschreibung der Bewetterungsalternativen
3.3 Festlegung einer endgültigen Alternative

4 Betrachtung unter technischen, sicherheitlichen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten
4.1 Technische Betrachtung
4.2 Sicherheitliche Betrachtung
4.3 Wirtschaftliche Betrachtung

5 Zusammenfassung

6 Quellenangabe und Literaturverzeichnis

7 Anhang mit Anlagen- und Abbildungsverzeichnis

Verzeichnis verwendeter Formelzeichen und Indizes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Bei der Erschließung neuer Feldesteile in Bergwerken werden für die Ausrichtung oder bei Tunnelbauwerken mit großer Überdeckung oft sehr lange, sonderbewetter­te Vortriebe not­wendig. Durch höhere Gebirgstemperatu­ren aufgrund größerer Teufen, und dem in verschiede­nen Bergbauzweigen verbreite­ten Einsatz von Diesel­fahrzeugen, ist zunehmender Aufwand für Sonderbewet­terung und Klimatisierung erforderlich. In dieser Arbeit soll grundsätzlich geprüft werden, ob es möglich und sinnvoll ist, mit Hilfe einer Druckluftbewetterung die Son­derbewetterung zu verbessern.

Aufgrund der rechtlichen Vorschriften in der Allgemeinen Bergverordnung über Untertagebetriebe, Tagebaue und Sali­nen (ABVO) vom 2. Februar 1966 (Nds. MBl. Nr. 15/1966 S. 337) ist nach § 115 Sonderbewetterung Abs. 2 in nicht durch­schlägigen Grubenbaue eine Sonderbe­wetterung durch Luf­tentnahme aus dem Druckluftnetz nicht zulässig, es sei denn, daß dafür eine Sonderer­laubnis des Oberbergamts auf Antrag erteilt wird /2/.[1] Eine ähnliche Vorschrift ist aus Österreich be­kannt. Hier regelt die Allgemeine Bergpolizeiverordnung für eine Er­zeugung des Wetterzuges in § 212 Abs. 3, daß .. le­diglich ausblasende Druckluft zur Bewetterung nicht ver­wendet werden darf. Auch hier ist eine Ausnahmebewilli­gung von der Berghauptmannschaft möglich.

Aufgrund dieses allgemeinen Verbots ist bisher im deut­schen Sprachraum gar keine wissenschaftliche Publikati­on erschie­nen, die sich mit der Thematik der Sonderbe­wetterung mittels Druckluft auseinandergesetzt hat.[2]

Im Jahr 1986 durfte erstmals unter strenger Aufsicht des Berg­amtes Goslar in penibler Abstimmung mit der Peine-Salzgitter AG und der Technischen Universität Clausthal, Institut für Wettertechnik, eine solche Untersuchung "offi­ziell" durchge­führt und im Rahmen einer Diplomarbeit aufgearbeitet wer­den. Diese Arbeit wurde durch den Ver­fasser geleistet und sie dient als Grundlage dieser Publi­kation. Gleichzeitig war mit dem Thema die Auflage ver­bunden die mathematisch-physika­lischen Grundlagen der Sonderbewetterung, wie sie im Berg- und Tunnelbau angewendet wird, kompakt und verständlich vorzustel­len. Aus Sicht des Bergamtes fehlt es an einer nachvollz­iehbaren Schnittstelle zwischen den physikalischen Grundlagen aus denen sich am Ende "Gebrauchsfor­meln" für die wettertechnische Praxis ergeben,. Diese "Überleitung" zwi­schen Theorie und Praxis soll aufge­zeigt werden.

1.1 Voraussetzungen

Auf der, nicht mehr in Produktion stehenden, Erzgrube Konrad der Stahlwerke Peine-Salzgitter AG wird zu Er­kundungszwecken und zur Erschließung eines neuen Feldesteils zur späte­ren Einlagerung radioaktiver Abfälle eine 2200 m Iange Stre­cke aufgefahren /1/. Dieser spezielle Vortrieb mit seinen Gege­benheiten, die im fol­genden beschrieben werden, dient als Re­ferenzbezug dieser Arbeit. Hier sollen die realen Bedingungen der Sonderbewetterung mit einer möglichen, fiktiven Druck­luftbewetterung verglichen werden. Zum besseren Ver­ständnis der Vergleichbarkeit von Alternativmodellen, sollen die physikalisch-technischen Grundlagen der Son­derbewetterung auszugsweise vorgestellt werden.

1.2 Örtliche und klimatische Verhältnisse

Der sonderbewetterte Vortrieb, der in der Anlage 1 im Anhang der Arbeit besonders gekennzeichnet ist, be­ginnt auf der 5. Sohle in 1215 m Teufe als Rampe 660. Diese hat ein Gefälle von 11 % und eine Länge von 530 m. In einer Teufe von 1275 m schließt sich die Rampe 610, ebenfalls mit einem Gefälle von 11 % an, die nach 300 m Länge die 6. Sohle in einer Teufe von 1309 m er­reicht. Nach ca. 350 m söhliger Strecke schließt sich der Bandberg Nord an, der mit einer Steigung von 11 % nach 1020 m Länge wieder die 5. Sohle erreichen soll.

Die entscheidenden, das Klima beeinflussenden Größen sind /1/ /4/:

- die ursprüngliche Gebirgstemperatur,
- die Wärmeabgabe der eingesetzten Betriebs­mittel,
- die Wettermenge,
- die Wetterkühleinrichtung,
- die Art der Sonderbewetterung,
- Länge, Querschnitt und Vortriebsgeschwindigkelt der Streckenauffahrung,
- Wärmeleitfähigkeit des Gebirges und Feuchtigkeit der Strecke.

Die ursprüngliche Gebirgstemperatur beträgt auf der 1200 m-Sohle 49 °C und auf der 1300 m-Sohle 53°C: nach /1/.

Die Wärmeabgabe der elektrischen Betriebsmittel ist nicht mit der gesamten installierten Leistung von Teil­schnittmaschine, Entstaubungsanlage, Trockentransfor­mator und Dieselmotoren gleichzusetzen. Aufgrund der Speicherwirkung des Gebirges, des Haufwerks und der Maschinen sowie des durchschnittli­chen Energiever­brauchs über einen längeren Zeitraum ist nach / 1/ von einem im Mittel freiwerdenden Wärme­strom von 350 kW auszugehen.

Die erforderliche Wettermenge errechnet sich nach der Forde­rung der Fahrzeugverordnung für Dieselfahrzeuge in nicht grubengasgefährdeten Bergwerken des Landes­oberbergamtes Clausthal /2/. Demnach müssen 3,4 m3/min Frischluft je instal­liertem Diesel-kW zur Verfü­gung gestellt werden. Beim Ein­satz von zwei Fahrzeu­gen mit je 210 kW Antriebsleistung er­gibt sich ein Bedarf von 1.428 m3/min. Der Frischwetterbe­darf, darf der im Vorortbereich eingesetzten Belegschaft ist mit 2 m3/min pro Person, d.h. bei 5 Mann Sollbelegung 10 m3/min relativ gering, und dadurch abgedeckt, daß ständig nur ein Ladefahrzeug in diesem Bereich eingesetzt wird. Das zweite Fahrzeug dient als Transportfahrzeug und befin­det sich fast ausschließlich im rückwärtigen Streckenteil.

Die bestehende Wetterkühleinrichtung mit einer Gesamt­kälteleistung von 940 kW besteht aus einer Wasserkühl­maschine, einem Wetterkühler (Wärmetauscher) und ei­nem Rückkühl­werk. Die Wasserkühlmaschine und der Wetterkühler sind durch Rohrleitungen über eine Länge von 1200 m miteinander verbunden. Die Kaltwassertem­peratur erhöht sich im Vorlauf bei einem Volumenstrom von 42 m3/min in einer isolierten Rohrleitung von 4,4 °C auf 7,5 °C. Durch den Kühlprozess der Wetter erwärmt sich das Wasser bis auf 13,5 °C. Auf dem Rückweg des Wasser zur Kühlmaschine findet noch eine Temperature­rhöhung (in nicht isolierten Rohren) auf ca. 16 °C statt. Daraus ergeben sich Kühlleistungen von 400 kW im Wärmetauscher und 270 kW an den Rohrleitungen, so daß eine Nettokälteleistung von 670 kW an die Wetter übertragen wird /1/.

Die blasende Sonderbewetterung wird über zwei Lutten­stränge, mit je 1200 mm Durchmesser und zwei je 73 kW Axiallüf­tern betrieben. Die gesamte angesaugte Wet­termenge von 2200 m3/min teilt sich in 1056 m3/min für die Lutte 1, die bis 50 m vor Ort geführt wird, und 1144 m3/min für die zweite Lutte, die nach 1200 m endet, auf . Am Ende der 2. Lutte wird in der Strecke von einem 73 kW Lüfter eine Wettermenge von 763 m3/min ange­saugt, durch den Wetterkühler und einer weiteren Lutte in den unmittelbaren Vorortbereich geleitet. Hier wird eine Entstaubungsanlage mit einem Wetterdurchsatz von ca. 500 m3/min betrieben.

Die maximale Länge des sonderbewetterten Vortriebs beträgt 2200 m und wird mit einem Querschnitt von 28 m2 aufgefah­ren. Aufgrund der verlegten Lutten ist mit ei­nem wettertech­nisch wirksamen Querschnitt von etwa 25,5 m zu rechnen. Die Auffahrung mit der Teilschnitt­maschine erreicht eine durchschnittliche Geschwindig­keit von 6 m/ d.

Die Wärmeleitfähigkeit λ des Gebirges bzw. die äquiva­lente Wärmeleitfähigkeit λäq wird in der Quelle /1/ mit 1,5 W/m K angegeben. Die Oberflächenfeuchte der Strecke hängt aus­schließlich vom Wasserverbrauch bei den Be­triebsvorgängen ab, da das Gebirge im Bereich der Streckenauffahrung völlig trocken ist.

Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht gemessener Tempera­turen und Volumenströme der zugeführten Wetter sowie Trocken- und Effektivtemperaturen an verschiedenen Streckenpunkten an:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Klimatische Verhältnisse /1/

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Trockentemperatur an keiner Stelle unter 28 °C liegt, was zur Folge hat, daß eine Begrenzung der Arbeitszeit gilt und die Be­schäftigungszeit des Personals 6 Stunden nicht über­schreiten darf /2/. Auf­grund der geringen relativen Feuchte der Wetter liegen trotz der hohen Trockentem­peraturen die Effektivtemperatu­ren bei nahe 25 °C.

1.3 Kosten der Sonderbewetterung

Bei der Betrachtung der Kosten für die Sonderbewette­rung wird zwischen Investitionsausgaben und Betriebs­kosten un­terschieden.[3] Um für einen späteren Kosten­vergleich der Sonderbewetterungsalternativen gleiche Voraussetzungen zu schaffen, werden Investitionskos­ten ermittelt und diese zu­sammen mit den Betriebskos­ten auf 18 Monate bezogen.[4] Nach Angaben der Schachtanlage Konrad /1/ kann die Le­bensdauer der Investitionsgüter mit annähernd 5 Jahren ange­setzt werden. Daraus ergibt sich ein Investitionskostenanteil von etwa 500.000 DM für 18 Monate. Zusammen mit den ge­planten Betriebskosten belaufen sich die Ge­samtkosten der Sonderbewetterung auf 2 Mio. DM.

2 Physikalisch-technische Grundlagen

Die in diesem Kapitel vorgestellten Berechnungsverfah­ren dienen dazu, die bestimmenden Parameter der Auf­gabenstellung zu ermitteln und hervorzuheben. Darge­stellt werden die physikalisch-technischen Zusammen­hänge der Sonderbewet­terung, der klimabestimmenden Einflußfaktoren und der Drucklufttechnik mit besonderer Sichtweise auf die Verdich­tung und Entspannung.

2.1 Sonderbewetterung

Sonderbewetterung ist in allen nicht durchschlägigen Stre­cken (ob Grubenbauen oder Tunneln) anzuwenden /2/, wobei es zunächst unerheblich ist, ob sie blasend oder saugend be­trieben wird. Wenn auch im untertäti­gen, grubengasgefährde­ten Bergbau die blasende Son­derbewetterung die Regel dar­stellt, werden im folgen­den auch die Grundlagen anderer Sonderbewette­rungsarten naher erläutert.

2.1.1 Sonderbewetterungsalternativen

Folgende modifizierte Sonderbewetterungsalternativen je nach Vortriebsverfahren zur Anwendung /5/:

- saugende Bewetterung mit Zusatzlüftung,
- blasende Bewetterung oder
- blasende Bewetterung mit Entstaubungsanlage.

Saugende Bewetterung mit Zusatzlüftung ist dadurch ge­kennzeichnet, daß die beim Sprengen oder mechani­schem Vortrieb anfallenden Gase und Stäube am Ent­stehungsort abgesaugt werden und die Strecke vom An­satz her bis kurz über das Lut­tenende hinaus mit Frisch­luft versorgt wird. Saugende Bewet­terung hat den Nach­teil, daß der Raum zwischen Luttenende und Ortsbrust schlecht bewettert wird, da die Ansaugwirkung nur weni­ge Meter über das Luttenende hinausreicht, wie es in Bild 1 dargestellt wird:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild1: Luftströmung bei saugender Bewetterung /5/

Um den Arbeitsraum zwischen Luttenende und Ortsbrust aus­reichend mit frischen Wettern zu versorgen muß mit einer bla­senden Zusatzlutte, Bild 2, die als fliegende Lut­te bezeichnet wird, Luft in diesen Bereich geblasen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2: Saugende Bewetterung mit Zusatzlüftung /5/

Bei der blasenden Bewetterung wird die Frischluft durch eine Luttentour in den Vorortbereich geblasen und die anfallenden Gase und Stäube strömen durch die Strecke zurück. Hier liegt der Nachteil der blasenden Bewette­rung, da staub- und abgas­haltige Luft in den anfallenden Konzentrationen durch die ge­samte Strecke verfrachtet werden müssen. E´Ein Vorteil der blasenden Bewette­rung ist darin zu sehen, daß der Raum vor Ort rasch und gut durchgespült werden kann, wenn die Lutten­leitung ordnungsgemäß nachgeführt wird (Bild 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3: Blasende Bewetterung /5/

Die Wirkung der angesprochenen Spülung vor Ort ist von der Ausblasgeschwindigkeit der Luft aus der Lutte, dem Abstand zwischen Luttenende und Ortsbrust, dem Streckenquerschnitt sowie von der Lage der Austrittsöff­nung im Streckenquer­schnitt abhängig. Durch die ge­nannten Faktoren wird die Ver­wirbelung, das heißt die gleichmäßige oder ungleichmäßige Durchmischung der zugeführten Frischluft mit der Luft vor Ort beeinflußt. In der Abbildung 4 ist die Geschwindigkeitsre­duzierung und somit eine ungünstige Verwirbelung aus einer blasenden Lutte über den relativen Abstand vom Luttenende aufge­zeigt.[5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4: Geschwindigkeitsabnahme des Strahls aus einer blasenden Lutte /5/

2.1.2 Betriebsmittel zur Sonderbewetterung

In diesem Kapitel werden nicht nur die Betriebsmittel zur Son­derbewetterung vorgestellt, sondern es werden dar­über hinaus Berechnungsverfahren zur Bestimmung ent­scheidender Kenn­größen vorgestellt.

2.1.2.1 Lutten

Bei den Luttentypen wird nach Material zwischen Kunst­stoff- und Stahllutten unterschieden. Kunststofflutten be­stehen in der Regel aus einem Gewebe, das PVC-beschichtet ist. Das Mate­rial ist schwer entflammbar, an­tistatisch, reißfest und verrot­tungsbeständig. Entspre­chend ihrer Einsatzart unterscheidet man:

- Falt- oder Flachlutten, die mit zwei Endringen pro Luttenelement ausgestattet sind,
- Bügellutten, mit zusätzlichen Bügeln, die bei ab­geschaltetem Lüfter einen Teilquerschnitt der Lut­te of­fenhalten; sie werden vorwiegend bei größe­ren Lutten­querschnitten eingesetzt,
- Wirbellutten, etwa zwei Meter lange, in gewöhnli­che Kunststofflutten eingebaute Elemente, die eine wähl­bare Luftmenge entweichen lassen kön­nen; sie dienen der örtlichen Verdünnung oder der auffrischenden Be­wetterung,
- Spirallutten, sie besitzen eine durchgehende Spi­rale zur Verstärkung und können beschränkt bei Unter­druck in der Lutte verwendet werden; sie werden meist als Krümmer in Kurven eingesetzt.

Kunststofflutten sind mit ihren Verbindungen als Einheit anzu­sehen. Die Enden der Luttenelemente sind mit Ringen aus Fe­derstahl, Rohrstahl oder elastischen Drahtseilen versehen, die durch eine Kunststoffman­schette zusammengehalten werden. Die dichteste Ver­bindung wird erreicht, wenn die Endringe in­einander ver­schränkt werden.

Bei den zur Zeit eingesetzten Kunststofflutten sind zwei Druckniveaus zu unterscheiden:

1. zulässiger Druck gegen Weiterreißen und Plat­zen,
2. maximaler Betriebsdruck der Lüfter.

Die technische Grenze ist bei 2,4 m Durchmesser der Lutten und einem zulässigen statischen Überdruck von 6000 Pa er­reicht.

Um Lüfter mit höheren Betriebsdrücken installieren zu kön­nen, bieten sich Rohre aus Polyvinylchlorid (PVC) oder Poly­äthylen (PE) an. Als unlösbare Rohrverbindun­gen kommen Kleb- oder Schweißverbin­dungen oder als lösbare Verschrau­bungen oder Flansch­verbindungen mit Dichtungen in Frage.
Bei Stahllutten sind Blechrohre mit Flansche oder Spiral­falzrohre gebräuchlich:
- Flanschrohre bestehen aus verschweißtem Stahl­blech und sind qualitativ hochwertige Luttenrohre mit langer Lebensdauer ,
- Spiralfalzrohre sind mit einem mehrfach, nicht aufreiß­baren Falz versehen.

Je nach Betriebsbedingungen sind gut geeignete Blechlut­tenverbindungen verschraubte Flansche mit Dichtungen oder verschweißte Elemente.

2.1.2.2 Luttenlüfter

Lüfter sind Strömungsmaschinen zur Förderung von Ga­sen mit einem Druckverhältnis von P2/P1 ≤ 1,1. Je nach der Erzeu­gung des aufgebauten Drucks unterscheiden sich Gleichdruck­lüfter, bei denen die, ausschließlich im Laufrad erzeugte Ge­schwindigkeitsenergie in nachge­schalteten Leiträdern oder Diffusoren in statischen Druck umgewandelt wird, und Über­drucklüfter, bei de­nen im Laufrad mit aerodynamisch geform­ten Schaufeln sowohl statischer Druck als auch dynamischer Druck erzeugt werden kann /3/.

Nach der Bauart wird zwischen Radial- und Axiallüftern un­terschieden. Radiallüfter sind dadurch gekennzeich­net, daß die Luft axial einströmt und radial aus dem Lüf­ter austritt; die Strömung wird umgelenkt. Da Radiallüfter als Luttenlüfter keine Verwendung finden, wird hier auf eine nähere Beschrei­bung verzichtet. Bei Axiallüftern fin­det durch das Laufrad kei­ne Umlenkung der Strömung statt, so daß der Luftstrom paral­lel zur Laufradachse ver­läuft, Das Laufrad besteht aus einer Anzahl profilierter und verstellbarer Laufschaufeln. Durch Vor- und/oder Nachleiträder wird der Drall in der Strömung reduziert, was eine Erhöhung des Lüfterwirkungsgrades zur Folge hat. Zur Reduktion des Anfahrschwalls wird bei Lüftern mit polumschaltbaren Motoren mit geringerer Drehzahl ange­fahren. Axiallüfter können nicht für einen Förder­druck ober­halb der Pumpgrenze eingesetzt werden, da sich ansonsten die Strömung von den Laufradschaufeln ablöst; es kommt zu ei­nem Leistungsabfall, einer pulsie­renden Strömung und einer starken Beanspruchung der Laufräder. Die wesentlichen Kenn­größen einer Lüfteran­lage sind/5/:

- elektrische Leistungsaufnahme,
- Förderleistung,
- Volumenstrom.

Die elektrische Leistungsaufnahme berechnet sich aus dem Produkt von anliegender Spannung, der Stromstärke und dem Leistungsfaktor:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zur Berechnung der Förderleistung lassen sich grund­sätzlich je nach Zunahme des Gesamtdrucks bezogen auf den Aus­gangsdruck zwei Fälle unterscheiden:

- kleine relative Druckzunahme ΔP/P1 ≤ 0,1; hier wird das Fördermedium als inkompressi­bel angenommen und die Förderleistung er­rechnet sich nach :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wellenleistung des Lüfters ergibt sich aus dem Drehmoment und der Winkelgeschwindigkeit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit Gl. 2.2 und Gl. 2.3 läßt sich der Wirkungsgrad des Lüfters bestimmen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- größere relative Druckzunahme ΔP/P1abs > 0,1; in diesem Fall ist zur Vermeidung größerer Fehler die Berücksichtigung der Kompressi­bilität des Fördermedi­ums notwendig.[6]

Axiallüfter lassen sich an veränderte Verhältnisse durch ver­stellen der Schaufelwinkel, Steuerung der Drehzahl bei polum­schaltbaren Motoren sowie durch Reihen- oder Parallelschal­tung mehrerer Lüfter anpassen. Zur Ausle­gung einer Sonder­bewetterungsanlage stehen Kennlini­enfelder der Lüfter zur Verfügung, wie es in Anlage 3 im Anhang dargestellt ist.

2.1.3 Strömungsverhältnisse vor Ort und Entstaubung

Beim Austritt der Luft aus der Lutte ergibt sich die Ausbil­dung eines geraden, runden Freistrahls. Im Bild 5 ist der Verlauf der Geschwindigkeitsverteilung über dem Ver­hältnis von Strahl­weg zur Kernlänge aufgezeichnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5: Turbulenter, runder Freistrahl

Aus der Mündung strömt der Luftstrahl mit nahezu gleichför­miger Geschwindigkeit in den unbegrenzten Raum. Aufgrund des Impulsaustausches wird an der Strahlwand die ruhende Luft mitgerissen, so daß sich der Strahl unter dem Winkel 2α ausbreitet und die Strö­mungsgeschwindigkeit dabei abnimmt. In Strecken er­folgt infolge der örtlichen Begrenzungen die Strahlaus­breitung nur soweit, wie die im Streckenquerschnitt ver­bleibende Restfläche für die vollständige Rückströmung des nach vor Ort transportierten Volumenstroms ausreichend groß ist (Bild 6) .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 6: Schema eines runden Strahls im begrenzten Raum bei vollständiger Rückströmung

Die Entfernung zwischen Ausblasöffnung einer Lutte und der Umkehrzone wird als Eindringtiefe LE eines tur­bulenten Freistrahls bezeichnet. Die Eindringtiefe ist etwa dreimal so groß wie der Streckendurchmesser, Durch eine Anordnung der Lutte unmittelbar an der Firs­te steigert sich die Eindringtiefe des Strahls auf den fün­ffachen Streckendurchmesser. Bei dieser maximalen Eindringtiefe stellt sich eine mittlere Strömungsge­schwindigkeit vom 0,3fachen Wert der Ausblasge­schwindigkeit ein.

Ist das Ende der Lutte derart angeordnet, daß die Ein­dringtiefe des Strahls kleiner ist als der Abstand zwi­schen Ausblasende und Ortsbrust, bildet sich eine Zone zwischen Strahlende und Ortsbrust, in der keine Strahl­mischung stattfindet und in der langsam rotierende Wir­bel zu beobachten sind, wie es im Bild 7 dargestellt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 7: Strömungsverhältnisse bei geringer Eindringtiefe

Dieser Effekt wird bei der Bildung eines Staubschildes beim Einsatz von Teilschnittmaschinen angewendet. Konstruktiv läßt sich eine Verringerung der Eindringtiefe durch die Installation von Coander-Lutten beliebig redu­zieren. Die Wetterbewegung nach vor Ort wird beim Schneidbetrieb durch die Ansaugströmung der Ent­stauberanlage aufrecht erhalten.

Der Staub kann in Entstaubungsanlagen entweder in Trockenfiltern oder Naßfiltern abgeschieden werden, die beide mit einem Volumenstrom von bis zu 600 m3/min zur Verfügung stehen. Der erforderliche Volumenstrom ist auf:

- Staubanfall,
- Benetzung des Schüttgutes mit Wasser,
- Größe des Ausbruchsquerschnittes,
- Abdichtung oder Abschirmung des Staubraumes,

abzustimmen. Die Ansaugöffnung der Entstaubungsan­lage muß nahe an der Staubquelle platziert sein, da, wie im Bild 2 dargestellt, bei allseitig freier Ansaugung keine "Fernwirkung" besteht.

2.1.4 Berechnungen

Nachdem die Berechnungsgrundlagen für die Lüfter im Kapitel 2.1.2.2 vorgestellt wurden, soll nun, von turbulen­ter Strömung ausgehend, der Druckabfall Δp in Lutten und der Wettermengenbedarf V` in Abhängigkeit der Lut­tenart behandelt werden.

2.1.4.1 Druckabfall in der Luttenende

Für die Strömungsverhältnisse in Lutten gelten zwei grundlegende Beziehungen; die Kontinuitätsgleichung und die Bernoulli-Gleichung.

Bei der, in der Regel vorliegenden, turbulenten Strömung in einem kreisförmigen Rohr ergeben sich folgende Be­ziehungen für den Druckabfall:

- in horizontal verlaufenden Lutten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- in geneigten Luttenleitungen muß zur Berechnung ein Korrekturglied für den Höhenunterschied ein­geführt werden, dann gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das positive Vorzeichen gilt für aufwärts und das negative Vorzeichen für abwärts geführte Lutten.

Neben dem Strömungswiderstand hat die Rohrrauhigkeit Einfluß auf den Druckverlust. Zur Bestimmung der Rohr­reibungszahl, die mit dem Diagramm in Anlage 4 ermit­telt werden kann, muß die Strömungsart und das Ver­hältnis von Durchmesser zur Rauhigkeit der Rohre be­kannt sein.

Die Reynolds-Zahl, die zur Charakterisierung der Strö­mung verwendet wird, berechnet sich nach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Über den Druckverlust in geraden Lutten hinaus ist der Druckverlust in Kurven und Übergangsstücken zu be­rücksichtigen. In Anbetracht der Stoß- und Reibungsver­luste wird eine Widerstandszahl ξ definiert, wie sie für Formstücke in der Anlage 5 des Anhangs dargestellt sind. Man erhält den statischen Gesamtdruckverlust, wenn zum Druckverlust im horizontalen Luttenstrang die Summe der Druckverluste der einzelnen Formstücke ad­diert werden, für die gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 2.9 ist identisch mit Gl. 2.6 wenn gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Daraus folgt dann für den statischen Gesamtdruckverlust in horizontalen Strecken:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus Gleichung 2.11 lässt sich der Term Σξ mit Hilfe von Gleichung 2.10 in eine äquivalente Widerstandslänge Läq der Formstücke definieren, die dem Druckverlust ei­nes geraden Luttenteils entspricht. Durch Umstellung wird aus Gl. 2.10:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schlussendlich sind noch Leitungserweiterungen und -verengungen zu ermitteln. Unter Verwendung der Ber­noulli-Gleichung ergibt sich allgemein:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für Leitungsverengungen können Widerstandsbeiwerte auch Tabellen entnommen werden. Für SIA-Norm[7] Lei­tungserweiterungen finden sich selten tabellarische Hilfs­mittel. Der Widerstandsbeiwert ermittelt sich hier nach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Auslegung von Sonderbewetterungsanlagen rei­chen die bisher angegebenen Beziehungen noch nicht aus, es muß die Dichtigkeit der Lutten beachtet werden /3/. So wird zwischen dichten und undichten Lutten unterschieden, da sich infolge veränderlicher Volumina unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten einstel­len.

2.1.4.2 Dichte Lutten

Bei der Annahme dichter Lutten, die in der Praxis nicht an getroffen werden, ist davon auszugehen, daß in der Lutte eine konstante Luftmenge bewegt wird. Bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit in der Lutte läßt sich diese durch Division vom Volumenstrom und der Querschnittsfläche bestimmen.

Eine Art der Vorausberechnung für Sonderbewetterungs­anlagen basiert auf der Grundlage der Berechnungen für glatte Rohre, korrigiert durch Zuschläge, um den Druck­bedarf der Lutten im Betriebszustand zu berechnen /3/:

- ZP1 als Zuschlag für die Luttenbauart,
- ZP2 als Zuschlag für Querschnittsänderungen,
- ZP3 als Zuschlag für rauhe Oberflächen der Lut­tenwandung.

Überprüfungen der Vorausberechnungen zeigten, daß Zuschläge in der Summe von 150 bis 200 % angesetzt werden müssen, um die Berechnungen den Betriebsver­hältnissen anzupassen. Zusätzlich bestehen erhebliche Schwierigkeiten, die Mengenverluste genau zu berück­sichtigen, die in allen Lutten auftreten.

2.1.4.3 Undichte Lutten

Ausgehend vom Luftbedarf vor Ort muß eine um die zu erwartenden Verluste größere Luftmenge am Lüfter an­gesaugt werden. Schematisch sind diese Leckverluste im Bild 8 aufgezeigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 8: Mengenverluste (schematische Darstellung)

Ähnlich den Druckbedarfszuschlägen ist mit einem ge­schätzten Mengenzuschlag ZQ in % je 100 m Luttenlei­tung zu rechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Mengenzuschlagswerte können nur zu überschlägi­gen Berechnungen für die Endleitungslänge benutzt werden. Die in den Leckstellen entweichenden Luftmengen hängen von der jeweiligen Größe der Leck­stellen, dem Überdruck sowie der Strömung in der Leck­stelle ab.

Ein anderes Berechnungsverfahren geht bei der Be­trachtung undichter Lutten von zwei Ansätzen aus:

- diskrete Öffnungen sind unterschiedlich verteilt,
- Undichtigkeiten werden durch einen Spalt über die gesamte Luttenlänge repräsentiert.

Mathematische Grundlagen sind unter anderen vom Schweizer Ingenieur- und Architektenverein (SIA) erar­beitet worden. Durch Baustellenmessungen wurden em­pirisch Rohrreibungszahlen und Leckverluste ermittelt. Die Auswertung der Meßergebnisse führte zu einer Klas­sifizierung in:

- "normale Art" von Luttenzustand und Wartung (Güteklasse B)
- "besonders gepflegte Art" (Güteklasse A).

Lutten der Güteklasse B sind der Normalfall. Daher wird in der weiteren Betrachtung nur auf diese Luttenart ein­gegangen, Bei Lutten der Güteklasse B ist eine Rohrrei­bungszahl von λ = 0,024 und eine Leckfläche von f' = 20 mm2/m2 als repräsentativ anzusehen. Wegen des großen Umfangs der numerischen Berechnung wurden Diagramme entwickelt, die zur Dimensionierung der Sonderbewetterungsanlagen herangezogen werden können.

In Anlage 6 ist die Anwendung des Diagramms der Güte­klasse B an einem Beispiel dargestellt. Erforderliche Größen sind das Verhältnis von Leitungslänge zum Durchmesser, das Mengenverhältnis und ein Druckpara­meter.

In Anlage 7 ist ein Rechenprogramm (geschrieben in BASIC) für einen HP-Rechner aufgelistet. Bei dem Rechenprogramm wird ein maximal zulässiger Ge­samtdruck von 6000 Pa vorgegeben.

Ausführliche Beschreibungen zur Erstellung des Dia­gramms und zur Anwendung des Rechenprogramms finden sich in zahlreichen SIA-Veröffentlichungen.

2.1.4.4 Lutte und Lüfter als System

Es besteht zwischen dem Druckverlust und dem Förder­volumen in der Lutte ein quadratischer Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der graphischen Darstellung im p-V-Diagramm stellt dieser Zusammenhang eine Parabel, die Luttenkennli­nie, dar. Die Lüfterkennlinien geben an, welche Drucker­höhung der Lüfter in Abhängigkeit von der Fördermenge bei gegebenen Schaufelstellung und Drehzahl liefern kann. Beim Anschluß eines Lüfters an eine Luttenleitung stellt sich das Fördervolumen ein, bei dem die Drucker­höhung des Lüfters dem Druckabfall in der Luttenleitung entspricht. Im Bild 9 ist der Schnittpunkt von Lutten und Lüfterkennlinie, als Betriebspunkt bezeichnet, eingetra­gen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 9: Kennlinie mit Betriebspunkten einer Bewetterungsanlage

Im unteren Teil des Diagramms wird berücksichtigt, daß mit zunehmender Luttenlänge die Leck- und Reibungs­verluste größer werden, so daß die Kennlinie mit zuneh­mender Länge steiler verläuft. Bei Längen bis zum 1000fachen Durchmesser wächst der Leistungsbedarf nicht viel mehr als proportional zur Länge, darüber hin­aus nehmen die Leckmengen quadratisch und mehr mit der Länge zu. Bereits bei der dichten Lutte wächst der Druckverlust mit der fünften Potenz des Durchmesser­verhältnis zweier Lutten. Verbunden mit der entspre­chenden Zunahme der Leckverluste wächst bei Lutten der Güteklasse B der Leistungsbedarf mindestens mit der sechsten Potenz.

[...]


[1] Die Zahlen beziehen sich als Quellennachweis auf das Literaturverzeichnis

[2] Aufgrund dieser Tatsache sind die wissenschaftlichen Quellen zum Thema nur äußerst spärlich bzw. gar nicht vorhanden. Die Erkenntnisse, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, stammen überwiegend und insbesondere im Kapitel 2 Physikalisch-technische Grundlagen, aus der Quelle /5/,Vorlesungen von Prof. Dr. Lürig, im Literaturverzeichnis und sind das Ergebnis seiner Lehre.

[3] Zusammengestellt in Anlage 2

[4] Geplante Dauer der Auffahrung

[5] Auf blasende Bewetterung in Kombination mit Entstaubungsanlagen wird im Kapitel 2.1.3 eingegangen

[6] Die Berechnungsmethode wird im Kapitel 2.3 vorgestellt

[7] Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (SIA)

Details

Seiten
96
Jahr
1995
ISBN (eBook)
9783668759565
ISBN (Buch)
9783668759572
Dateigröße
3.8 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v433624
Institution / Hochschule
Technische Universität Clausthal
Note
1,7
Schlagworte
sonderbewetterung vortriebe druckluftbewetterung

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Titel: Sonderbewetterung langer Vortriebe (ist eine Druckluftbewetterung möglich und sinnvoll?)