Im głębiej i dalej od szybu, tym cieplej
Spośród funkcjonujących dotychczas systemów chłodzenia powietrza w kopalni najbardziej zaawansowanym była klimatyzacja centralna. W dużym uproszczeniu jej działanie opiera się na schłodzeniu wody na powierzchni ziemi (do temperatury około 1-2°C) i przesłaniu jej rurociągiem pionowym pod ziemię, gdzie może zostać rozesłana rurociągami poziomymi do różnych obszarów kopalni. Następnie woda zasila chłodnice schładzające powietrze w części kopalni, w której prowadzone jest aktualnie wydobycie. Na początku eksploatacji kopalni to rozwiązanie może działać całkiem nieźle, ale im dłużej prowadzone jest wydobycie, tym dłuższe stają się rurociągi poziome, a więc tym bardziej od szybu oddala się miejsce, do którego powinna dotrzeć schłodzona woda. To przysparza kłopotów, ponieważ w reszcie kopalni panuje upał i pomimo dobrej izolacji termicznej rur znajdująca się w nich woda z każdym kilometrem znacznie się ociepla. Jeżeli na powierzchni ma około 2°C, to zanim dotrze do chłodnicy zlokalizowanej w miejscu wydobycia, po przebyciu kilku kilometrów pod ziemią, może osiągnąć temperaturę nawet 8°C, a czasem nawet 12°C. To znacząco obniża efektywność chłodnicy, a więc temperatura powietrza w rejonach wydobycia rośnie.
Wody na powierzchni nie da się schłodzić już bardziej – przede wszystkim, po prostu zamarzłaby w urządzeniach, co uniemożliwiłoby jej przesłanie rurociągiem. Temu dałoby się zapobiec poprzez stworzenie odpowiedniego roztworu – dzięki dodaniu do wody alkoholu lub soli ciecz mogłaby osiągnąć temperaturę poniżej 0°C, jednocześnie nie zmieniając stanu skupienia. Zastosowanie takiego rozwiązania uniemożliwiają jednak obowiązujące przepisy – do kopalni nie można wprowadzać cieczy o temperaturze poniżej 0°C.
– No więc jakie mamy rozwiązania? Można zbudować nowy szyb, czyli zrobić odwiert, zbudować nową infrastrukturę na powierzchni i zbudować nowe rurociągi pionowe i poziome. Można też wymienić wszystkie dotychczas eksploatowane rurociągi i pompy na większe, zmienić całą infrastrukturę na powierzchni i w kopalni, tak żeby dało się przesłać do kopalni więcej wody, żeby ona nie zdążyła tak bardzo podgrzać się po drodze. Wymaga to jednak wstrzymania wydobycia i jest bardzo kosztowne inwestycyjnie. Można też zastosować właśnie takie rozwiązanie, które zostało opracowane dla kopalni „Bogdanka” – wyjaśnia dr hab. inż. Łukasz Mika, prof. AGH, autor projektu innowacyjnego systemu chłodzenia wdrożonego we wspomnianej kopalni.
Topniejący lód daje chłód
W trakcie opracowywania nowego systemu chłodzenia naukowiec z AGH miał świadomość wszystkich ograniczeń, które nakładają na systemy chłodzenia normy prawne oraz prawa fizyki. Za pomocą opracowanego systemu udało mu się jednak przekuć zjawisko zamrażania wody i topnienia lodu w zaletę i, w zgodzie z przepisami, przemycić pod ziemię cząsteczki lodu. Zaprojektowany przez naukowca system od ponad roku funkcjonuje w kopalni „Bogdanka”, gdzie pomaga utrzymać temperaturę powietrza sprzyjającą pracy górników. W projekcie naukowiec wykorzystał wiedzę, którą zdobywał jeszcze w trakcie prac nad doktoratem i habilitacją na Politechnice Krakowskiej.
– Na początku trzeba powiedzieć, że jako bazę modernizowanego układu wykorzystuje się istniejący system centralnej klimatyzacji kopalni. Do tego systemu dokłada się generatory zawiesiny lodowej. Z nich lód, w postaci drobinek lodu lub mokrego śniegu, jest doprowadzany do mieszalnika, gdzie jest mieszany z wodą schłodzoną w dotychczasowej infrastrukturze kopalni i w postaci takiej wymieszanej zawiesiny spływa rurociągami na dół – mówi o autorskim systemie chłodzenia prof. Łukasz Mika. – Istniejącym rurociągiem przesyłamy więc nie samą wodę, tylko wodę z drobinkami lodu, zatem temperatura na powierzchni wynosi zero stopni Celsjusza, a w zawiesinie mamy również drobinki lodu. Zawiesina jest dostarczana rurociągami do kopalni i na skutek wysokiej temperatury powietrza dostarczane jest do rurociągu ciepło (straty energii na przesyle). Ale temperatura wody się nie podnosi, bo najpierw wytapiają się drobinki, a dopiero gdy ich zabraknie, woda w rurociągu zacznie się podgrzewać. Jak się dobrze układ zaprojektuje i eksploatuje, to w odległe rejony wydobywcze kopalni dopływać będzie woda o temperaturze 1–2°C lub nawet bliskiej 0°C. I to jest coś, co dla wszystkich osób odpowiedzialnych za chłodzenie w kopalni jest marzeniem: przy układach wodnych było 8–12°C na zasilaniu chłodnic, a przy zastosowaniu zawiesiny lodowej będzie blisko 0°C. Przy zasilaniu chłodnic wodą o temperaturze 8–12°C ich wydajność jest niższa o kilkadziesiąt procent niż katalogowo, co uniemożliwia wystarczające schłodzenie powietrza. Natomiast wydajność chłodnic zasilanych zawiesiną lodową przewyższa wydajności katalogowe, bo one są liczone na zasilanie wodą o temperaturze około 4°C. Przy krótszych odcinkach rurociągów do chłodnic dopływać może nawet zawiesina, ale to nie stanowi żadnego problemu dla chłodnic, a nawet jest zaletą, bo dopływa do nich więcej „chłodu”, który można przekazać do powietrza w rejonie pracy górników.