Bei der Erschließung neuer Feldesteile oder Tunnelauffahrungen ist in langen, sonderbewetterten Vortrieben zunehmender Aufwand für Bewetterung und Klimatisierung erforderlich. So ist unter technischen, sicherheitlichen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu prüfen, ob eine Sonderbewetterung mittels Druckluft oder unter Zuhilfenahme einer Druckluftbewetterung verbessert werden kann. Als Voraussetzung wird ein 2200 m langer Vortrieb mit seinen örtlichen und klimatischen Verhältnissen als Referenzobjekt gewählt.
Um den Einfluss einer alternativen Sonderbewetterung mit Druckluft erfassen zu können, werden die relevanten physikalisch-technischen Grundlagen der Sonderbewetterung, der KIimavorausberechnung und der Drucklufttechnik vorgestellt und die Herleitung physikalischer Zusammenhänge in wettertechnisch brauchbare Anwendungsformeln erarbeitet.
In Abhängigkeit vom Druck und Volumenstrom des Druckluftanteils an der Sonderbewetterung werden 10 Alternativen dargestellt. Für diese werden nach wirtschaftlichen Überlegungen und gegebenen Randbedingungen Rohrleitungsdurchmesser ermittelt. In einer Beschreibung der Sonderbewetterungsalternativen sind für die Luttenleitungen Druckabfälle und Förder- und und Kälteleistungen der expandierenden Druckluft berechnet worden. Zur Erreichung des vorgegebenen Klimatisierungsziels die Trockentemperatur vor Ort auf unter 28°C zu senken, werden in Abhängigkeit der abgegebenen Wärme von elektrisch betriebenen Betriebsmitteln, erforderliche Kälteleistungen ermittelt.
Zur endgültigen Beantwortung der Aufgabenstellung ein finales Sonderbewetterungskonzept festgelegt, bei dem auf zusätzliche Wetterkühlung zur Erreichung des Klimatisierungsziels verzichtet werden kann.In einer technischen Betrachtung der Alternative stellen sich Probleme dar, die in der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur der expandierenden Druckluft begründet sind, so daß die Realisierung der Sonderbewetterungsalternative nicht nur in Frage zu stellen, sonder als technisch nicht beherrschbar anzusehen ist. Sicherheitlichen Vorteilen, die für den Fall eines brennenden Transportfahrzeugs feststellbar sind, stehen wirtschaftlich nicht unerhebliche Nachteile gegenüber.
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)
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