Druckluftbereitstellung
Die Druckluft ist eine der vielseitigsten und der am meisten genutzten Energiequellen im Bergbau. Es gibt keine andere Art Maschinen untertage zu betreiben. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts ist ihre industrielle Anwendung im Bergbau bekannt. Genutzt wird sie besonders in den Gebieten der Arbeitspneumatik und der Klimatisierung. Der Arbeitsluftdruck (Überdruck) beträgt im Bergbau 0,3 bis 0,7 MPa. Eine Druckluftanlage besteht neben dem Verdichter (Kompressor) aus der Antriebsmaschine, der Kühleinrichtung, dem Speicher und den Sicherheits-, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen. Alle diese einzelnen Teilstücke der Pressluftanlage sind meist örtlich zusammengefasst. Außerdem kann diese Anlage stationär oder transportabel sein. Doch im Bergbau wird die Druckluft meist in zentralen, stationären Anlagen, über- oder untertage erzeugt.
| Druckluftbereitstellung |
Für die Lieferung von Druckluft mit entsprechender Qualität an die verschiedenen Betriebspunkte ist die Verteileranlage zuständig. Die Druckluftverbraucher können wie die Druckluftanlage stationär beziehungsweise transportabel sein. Oft sind mehrere Verbraucher an einem Betriebspunkt vereinigt und durch flexible Leitungen (Schläuche) mit dem stationär verlegten Leitungsnetz (Stahlrohre) verbunden. Der wichtigste Bestandteil der Druckluftherstellungsanlage ist der Verdichter. Verdichter werden nach der Druckdifferenz unterschieden:
Je nach dem Funktionsprinzip werden die Verdichter klassifiziert. Im Bergbau gibt es allerdings nur Verdichteranlagen, die für den Niederdruckbereich ausgerüstet sind, besonders die Kolben und Schraubenverdichter.
Der Kolbenverdichter wird ähnlich wie ein Otto- oder Dieselmotor angetrieben, bloß, dass hier nur Luft zusammengedrückt wird. Der Verdichter besteht aus einem Gehäuse, einer Pleuelstange, einem Kolben, einem Filter, einer Ansaugleitung, einem Ein- und Auslassventil, einer Druckleitung, einem mit Wasser gekühlten Zylinder, einer Kurbelwelle und einem Schwungrad. Man kann die Erzeugung von Druckluft im Kolbenverdichter in vier Abschnitte teilen:
Im ersten Abschnitt bewegt sich der Kolben, der vom Schwungrad über die Kurbelwelle angetrieben wird, nach unten, also zur Kurbelwelle hin. Während dieses Vorganges ist das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet, sodass gefilterte Luft durch die Ansaugleitung in den Zylinder gesaugt wird. Nun wird die Luft durch den sich jetzt zu beiden geschlossenen Ventilen bewegenden Kolben zusammengedrückt, also verdichtet. Der Kolben erreicht dabei den unteren Totpunkt, das heißt, dass er sich nicht weiter nach unten bewegen kann. Während des Verdichtens wird sehr viel Energie in Form von Wärme abgegeben. Bei Erreichen des erforderlichen Betriebsdruckes, wird das Auslassventil durch eine Nockenwelle geöffnet (beide Ventile werden immer per Nockenwelle bewegt), der Kolben bewegt sich wieder nach oben, die Luft wird ausgeschoben und durch die Druckleitung in einen Kessel gedrückt, der den Druck noch verstärkt, weil immer mehr verdichtete Luft hinzukommt. Nun erreicht der Kolben den oberen Totpunkt und das Auslassventil wird geschlossen. In dem sogenannten schädlichen Raum, der zwischen Zylinderdeckel und Kolben verbleibt, ist noch ein Teil der verdichteten Luft enthalten. Diese Restluft dehnt sich wieder aus, während sich der Kolben zur Kurbelwelle hin bewegt. Wenn der benötigte Ansaugdruck erreicht ist, öffnet die Nockenwelle das Einlassventil, und die vier Teilvorgänge beginnen wieder von vorne. Der allerdings wichtigste Abschnitt bei diesem Vorgang ist das Verdichten.
Um bei sehr hohen Enddrücken und bei großen Maschinen unzulässig hohe Temperaturen zu vermeiden, wendet man eine stufenweise Verdichtung mit Zwischenkühlung der Luft an. Als Antriebsmaschinen für Verdichter werden Elektro- beziehungsweise Verbrennungsmotoren verwendet, wobei letztere oft für ortsveränderliche Anlagen dienen.
Diese Verdichterbauart wurde vor etwa 50 Jahren entwickelt. Ein solcher Verdichter hat ein ähnliches Funktionsprinzip, wie ein "Fleischwolf". Die Luft wird durch zwei Schrauben hindurch gepresst, sodass Druckluft entsteht: Bei Schraubenverdichtern tritt der Verdichtungseffekt durch zwei rotierende Läufer (zwei Schrauben), die mit einer ausgeprägten Schrägverzahnung versehen sind, in Kraft. Die Luft wird auf der Saugseite durch die sich vergrößernden Schraubengänge angesaugt und über die freien Zahnlücken beziehungsweise Schraubenganglücken zur Druckseite hin gefördert. Nach der Druckseite hin, tritt durch axiale Begrenzung der Spindeln eine stetige Verkleinerung der freien Gangräume ein, sodass das darin eingeschlossene Gas bis zum Erreichen der Druckleitung verdichtet wird. Danach wird die Luft wieder in einen Kessel gedrückt und dort durch die hinzukommende verdichtete Luft weiter verdichtet. Das Gas kann völlig ölfrei verdichtet werden, da sich die beiden Schrauben (bzw. Zahnräder) in berührungsfreiem Lauf zueinander bewegen. Außerdem findet wieder eine sehr hohe Energieabgabe in Form von Wärme statt. Abhilfe kann man durch innere Kühlung mit Öl schaffen (in Schraubenverdichtern ist immer eine Ölpatrone eingebaut). Auch diese Art von Verdichtern wird mit einem Elektromotor angetrieben.
 | Schraubenverdichter SK 26 1994 | Oben: Ölfilter, darunter Ölbehälter für Kühlöl | Unten: Schraubenverdichter |
Der eigentliche Speicher der Druckluft ist der Druckkessel, der auch oft Windkessel genannt wird. Dieser Kessel ist notwendig, da immer mehr Druckluft vorhanden sein muss, als verbraucht wird. Der Speicher dient auch zur Messwertbestimmung für die Druckdiffernz, die zur Regelung des Verdichters verwendet wird. Außerdem werden in ihm Öl und Wasser von der Druckluft abgeschieden. Die Druckkessel sind auch noch mit sicherheitstechnischen Amaturen, wie Manometern, Sicherheitsventilen, u.a., ausgerüstet. Diese Messgeräte sind zur Prüfung und Überwachung des Drucklufterzeugeraggregates erforderlich und werden zur Kontrolle des Zustandes des Rohrleitungsnetzes, sowie zur Ermittlung der Kennziffern für die Verbraucher (bzw. Verbraucherbereiche, z. B. Betriebspunkte) eingesetzt. Druck, Temperatur und Menge der Druckluft werden dabei gemessen. Zur Kontrolle des Druckluftverbrauchs der Arbeitsgeräte sind in den Werkstätten stationäre Prüfstände eingerichtet.
Druckluftverbraucher stellen bestimmte Forderungen hinsichtlich Sauberkeit, Trockenheit (Beimischungen nicht erwünschter Flüssigkeiten) und Schmierfähigkeit (Vorhandensein von Schmierstoffnebel eines bestimmten Schmiermittels) an die Druckluft. Dazu werden Filter, Abscheider und Öler meist in komplexen Baueinheiten diesen Geräten vorgeschaltet.
Die wichtigsten Bestandteile der Druckluftverteileranlage sind die Rohrleitungen. Im Bergbau sind diese meist umfangreich und verzweigt. Für die Hauptzweige des Leitungssystems ist oft eine relativ große Lebensdauer geplant. Die größte Aufmerksamkeit muss man ihrer Projektierung, Montage und Unterhaltung schenken, da ihr Zustand wesentlich zur Rentabilität der gesamten Druckluftwirtschaft beiträgt. Die entstehenden Verluste durch Undichtheiten lassen sich durch sorgfältige Wartung, Pflege und Instandhaltung herabsetzen. Beim Strömen der Druckluft durch die Rohrleitungen entstehen Druckverluste, die noch ökonomisch vetretbar sind, wenn die Rohrleitung richtig berechnet wird. Für gebogene Rohrleitungen, Abzweigungen, Querschnittsänderungen und Armaturen, muss man die Druckverluste gesondert berechnen. Wenn Rohrleitungen verlegt werden, muss vor allem auf Sauberkeit im Rohrinnern geachtet werden, da Unsauberkeiten vom Luftstrom mitgerissen werden und erhebliche Schäden in den Druckluftverbrauchern verursachen. Zum flexiblen Anschluss der Druckluftverbraucher an das stationär verlegte Rohrleitungsnetz werden Schlauchleitungen verwendet. Meist werden dafür Gummischläuche mit Gewebeeinlage benutzt, da diese gegen Öl widerstandsfähig sind. Die Schlauchleitung wird mit dem Rohrleitungssystem und dem Druckluftverbraucher durch standartisierte Verbindungselemente verbunden. Durch Achten auf Sauberkeit in den Schläuchen, kann genau wie bei den Rohrleitungen eine lange Lebensdauer erzielt werden. Zur Steuerung des Druckluftstromes werden Ventile, Hähne und Schieber in verschiedenen Ausführungen verwendet. Im oder am Druckluftverbraucher ist ein Stellorgan (meist Hähne) vorhanden, das das Ab- oder Aufdrehen der Druckluft ermöglicht. Der Arbeitsschutz wird hierin deutlich: Wenn der Handhebel an druckluftbetriebenen Maschinen losgelassen wird, alle Bewegungen der Maschine sofort abgebrochen werden. Für den Aufbau von Druckluftsteuereinrichtungen existieren standartisierte Steuerungselemente in Form von Druck-, Strom- und Sperrventilen für den Rohrleitungsbau. Diese Elemente sind meist für stationäre Anlagen vorgesehen.