Silniki spalinowe samojezdnych maszyn górniczych SMG emitują spaliny wydechowe o wysokiej temperaturze, których energia cieplna pogarsza warunki termiczne w bezpośrednim otoczeniu kabiny, które muszą być wyposażone są w systemy klimatyzacji. Postęp technologii adsorpcyjnej umożliwia wykonanie urządzenia klimatyzacyjnego, połączonego z kabiną operatora, wykorzystującego adsorpcyjny system ziębniczy, napędzanego energią spalin odlotowych silnika spalinowego.

W artykule przedstawiono przykładowe rozwiązania konstrukcyjne urządzeń chłodniczych stosowanych na SMG oraz przeprowadzono analizę skuteczności klimatyzacji stanowiskowej w rzeczywistych warunkach kopalń. Zaprezentowano także koncepcję chłodniczego urządzenia adsorpcyjnego, próżniowego, spełniającego warunki bezpieczeństwa.

Stanowiska operatorów maszyn samojezdnych z napędem spalinowym, zaliczane są, w górnictwie rud miedzi w Polsce, do grupy stanowisk o najwyższym stopniu zagrożenia klimatycznego. Istotnym składnikiem niekorzystnego bilansu cieplnego w tych środowiskach jest strumień ciepła promieniowania i konwekcji, pochodzący od zespołów napędowych i roboczych maszyny. Ponadto specyfika technologii górniczej powoduje, że maszyny samojezdne pracują w rejonach gdzie górotwór jest świeżo odsłonięty, a więc intensywniej emituje ciepło.

Szczególnie niekorzystnym efektem działania silników spalinowych w warunkach wyrobisk górniczych jest emisja spalin. Poza wysoką temperaturą i niekorzystnym źródłem ciepła, spaliny są źródłem gazów szkodliwych. Dlatego działania podejmowane w celu ograniczenia emisji spalin lub wykorzystania ciepła spalin, prowadzące w efekcie do obniżenia ich temperatury, są jednym z najistotniejszych przedsięwzięć w aspekcie ochrony środowiska pracy [1, 2, 7].

Analiza skuteczności systemów klimatyzacji na samojezdnych maszynach górniczych

Dotychczas jedynym stosowanym układem klimatyzacji na maszynach samojezdnych jest agregat lub zespół urządzeń realizujących sprężarkowy obieg chłodniczy. W praktyce na maszynach samojezdnych stosowane są układy klimatyzacji w wersji kompaktowej oraz w wersji split [3]. Urządzenie chłodnicze w wersji kompakt, przedstawione na rys. 1. charakteryzuje się tym, że wszystkie podzespoły chłodnicze zamontowane są w jednej konstrukcji nośnej (obudowie). W tym rozwiązaniu napęd sprężarki realizowany jest od silnika hydraulicznego.

Rys. 1. Urządzenie klimatyzacyjne typu kompakt na SMG

Urządzenie typu kompakt może pracować podczas przejazdów maszyny, jak i przy zatrzymanym silniku spalinowym. Agregat chłodniczy połączony jest przewodami wentylacyjnymi – nawiewnym i recyrkulacyjnym – z zamkniętą kabiną operatora. Widok przykładowych maszyn (maszyna wiercąco- kotwiąca oraz ładowarka kopalniana) z urządzeniem typu kompakt przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Maszyny SMG z urządzeniami klimatyzacyjnymi

Układ klimatyzacji na SMG w wersji split (rys. 3) zabudowany jest w kilku miejscach na maszynie. Sprężarka znajduje się zazwyczaj blisko silnika i jest napędzana od wirujących elementów silnika spalinowego lub jego osprzętu.

Rys. 3. Schemat instalacji klimatyzacyjnej typu SPLIT

Zespół skraplacza z wentylatorami zabudowany jest w miejscu zapewniającym:

• swobodny przepływ powietrza przez skraplacz,
• możliwie niską temperaturę powietrza, bez wpływu źródeł ciepła na pracę skraplacza,
• możliwość dostępu, brak utrudnień do obsługi.

Zespół parownika z wentylatorami znajduje się wewnątrz kabiny operatora. Widok przedstawiający sposób zabudowy zespołu skraplacza i zespołu parownika klimatyzacji w wersji split na maszynie samojezdnej przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 4. Zespoły klimatyzacji w wersji SPLIT na SMG

Na podstawie wyników badań własnych mikroklimatu środowiska pracy operatorów SMG dokonano oceny skuteczności działania urządzeń klimatyzacyjnych [3, 4]. Dla określenia efektów klimatyzacji pomiary przeprowadzano jednocześnie w kabinach oraz na zewnątrz tych kabin, w wyrobiskach, w pobliżu maszyn górniczych. Mierzono podstawowe parametry powietrza, tj. temperaturę termometru suchego i wilgotnego, prędkość jego przepływu oraz ciśnienie bezwzględne powietrza w wyrobisku kopalnianym. Pierwsze trzy parametry oraz wilgotność powietrza, do wyznaczenia której wykorzystano m.in. wartości ciśnienia, mają zasadnicze znaczenie w procesie wymiany ciepła pomiędzy organizmem ludzkim a środowiskiem zewnętrznym [9]. (...)

Wykorzystanie ciepła spalin silnika SMG

Energia odpadowa procesów przemysłowych może być energią użyteczną, a działania na rzecz odzysku energii odpadowej są ekonomicznie uzasadnione i opłacalne. Konieczność budowy instalacji odzyskowej i ponoszenie nakładów inwestycyjnych wymaga określenia efektywności ekonomicznej planowanego przedsięwzięcia, jak również przeprowadzenia optymalizacji techniczno-ekonomicznej urządzeń. W przypadku SMG problem emisji gorących spalin jest szczególnie dotkliwie odczuwalny, gdyż pogarsza w znaczący sposób warunki pracy. Prowadzone wieloletnie obserwacje i pomiary parametrów klimatycznych powietrza w oddziałach wydobywczych wykazały, że szczególnie trudne warunki cieplne panują na stanowiskach operatorów ładowarek kopalnianych, spychów, wozów do obrywki rudy, wozów wiercących i kotwiących.

W różnych technologiach przemysłowych jako urządzenia utylizacyjne ciepło odpadowe wykorzystywane są rekuperatory, utylizatory, podgrzewacze powietrza, kotły utylizacyjne i odzysknicowe, a także w dużo mniejszym zakresie pompy i transformatory ciepła czy systemy zawracające ciepło do prowadzonych technologii. W przypadku SMG, gdy tego ciepła jest nadmiar jakiekolwiek działanie w tym kierunku nie tylko, że nie jest uzasadnione ale prowadzi się szereg działań aby to ciepło usunąć i poprawić warunki klimatyczne. Przeznaczeniem urządzeń i instalacji klimatyzacyjnych stosowanych w kopalniach jest nie tylko zapewnienie komfortu termicznego, ale przede wszystkim spełnienie wymogów określonych w stosownych normach i przepisach BHP [1].

Analiza źródeł ciepła odpadowego w kopalniach rud miedzi [2] wskazuje, że najpoważniejszym nośnikiem ciepła są spaliny odlotowe maszyn i urządzeń samojezdnych. W kopalnianych pojazdach samojezdnych standardowo stosowane są sześciocylindrowe silniki spalinowe Diesla o mocy np. 200 kW, chłodzone wodą, z bezpośrednim wtryskiem i turbodoładowaniem. Tabela 1 przedstawia dane techniczne charakteryzujące powyższy silnik [2]. (...)

Rys. 7. Schemat obiegu lewobieżnego z wykorzystaniem procesu adsorpcji.

Adsorpcyjny system klimatyzacyjny zasilany ciepłem spalin odlotowych (...)

Wnioski

W trakcie przeprowadzonych pomiarów i badań stwierdzono, że uzyskiwane wskutek działania urządzeń klimatyzacyjnych parametry cieplne zdecydowanie poprawiają warunki pracy na stanowiskach operatorskich, poprawiają subiektywne odczucie komfortu cieplnego, zaś ilości powietrza nawiewanego do wnętrza kabin zapewniają odpowiednią wymianę powietrza, jak i możliwość rozrzedzenia gazu czynnika chłodniczego w przypadku ewentualnej awarii urządzeń klimatyzacyjnych.

Napęd tych urządzeń realizowany jest najczęściej bezpośrednio lub pośrednio od silnika spalinowego SMG. Zastosowanie klimatyzacji powoduje w wielu przypadkach zwiększenie emisji ciepła i spalin przez silnik spalinowy w bezpośrednim otoczeniu przestrzeni klimatyzowanej.

Specyfika działania SMG stwarza możliwości zaprojektowania i budowy desorpcyjnego systemu klimatyzacyjnego połączonego z kabiną operatora wykorzystującego energię spalin odlotowych silnika spalinowego.