一种基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统的制作方法

一种基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，设置有隧道、烟囱、隧道壁、烟囱的连接管、远红外加热装置、碎落台等。本发明通过理论与实际相结合：设计烟囱的位置与高度对烟囱的通风影响不大，而烟囱半径与加热温度对通风效果影响较大，以此结果为准，取1m为烟囱的设计半径，70℃为烟囱内气体的加热温度；为验证烟囱通风的节能性及可行性，在能源和营运成本方面将烟囱通风和射流风机通风两种通风方式进行比较，通过比较发现：烟囱通风可以节省65％以上的能源及营运成本，且没有噪声污染，节能、环保效应明显，是一种可行、节能的公路隧道通风方式。
【专利说明】
-种基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统
技术领域
[0001] 本发明属于节能设备领域，尤其设及一种基于远红外加热的公路隧道烟画通风系 统。
【背景技术】
[0002] 随着中国经济的不断发展，公路隧道建设逐步趋于完善。然而，就目前公路隧道通 风系统而言，采用射流风机纵向通风是最普遍的通风方式，但其运营成本极高且能耗巨大。
[0003] 公路隧道是公路工程的重要组成部分，与公路建设同步发展。在山岭地区，隧道可 W克服地形与高程障碍，改善线形，缩短里程，提高车速，节约燃料，节省时间并保护生态环 境。自改革开放W来，我国经济持续发展，我国的公路隧道事业从建设规模和技术上都取得 了长足的进步。根据交通运输部的统计数据：截止2014年底全国公路隧道为12404处、 1075.67万米，增加1045处、115.11万米。目前，我国已经成为世界上拥有公路隧道数量最多 的国家。对于未来的公路隧道营运来说，低碳节能成为了首先要考虑的问题。然而，对于目 前采用了通风系统的隧道来说，其复杂的通风系统不仅会使隧道工程造价较大，而且还使 隧道营运费用大幅上升。所W，在运个倡导节能减排的时代，研究一种节能、经济的隧道通 风方式对于我国隧道发展有重大意义。
[0004] 隧道内良好的空气状态是保证行车安全的重要条件，通风是为了把隧道内的有害 气体或污染物质的浓度降至允许浓度W下，运样既可W保证汽车行驶的安全性和舒适性， 又有利于隧道内的维修、养护人员的身体健康。
[0005] 目前国内通常研究和使用的隧道通风方式有自然通风、纵向射流风机通风、纵向 分段式射流风机通风、有竖井的纵向通风(竖向轴流风机通风+纵向射流风机通风)及半横 向式通风。而就"烟画效应"利用而言，国内外研究一般将其运用在工业中。目前，澳大利亚 通过太阳能加热利用烟画效应进行发电，效果极佳，在太阳塔的设计中，加热溫度为7(TC， 空气流速为15m/s，可24小时连续使用。由于国内关于"烟画效应"与隧道的相关研究均未提 出利用"烟画效应"解决隧道通风的相关课题，亦或是仅有对W竖井加热通风代替轴流风机 的相关研究。
[0006] 目前的隧道营运中的能耗存在巨大浪费的问题。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于提供一种基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统，旨在解决 目前国内公路隧道通风系统能耗巨大、运营成本极高、噪声大、火灾应对能力薄弱等问题， W达到减小隧道通风运营能耗、提高隧道服务水平、增强隧道安全性的目标。
[000引一种基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统，该基于远红外加热的公路隧道烟 画通风系统设置有隧道，所述隧道设置有拱顶，所述基于远红外加热的公路隧道烟画通风 系统还设置有置于隧道拱顶一侧的烟画、连接在烟画中下部的连接管、安装在连接管内的 远红外加热装置、连接在烟画底部的碎落台。
[0009] 所述烟画利用烟画效应完成隧道内的空气循环净化；
[0010] 所述远红外加热装置用于加热连接管内的气体，用于烟画和隧道内产生气压差， 加快空气循环速度；
[0011] 所述碎落台用于收集烟画中碎落的±或杂物。
[0012] 进一步，所述烟画顶部安装有防雨帽，碎落台下部安装有碎落台开合口，连接管下 部安装有连接管开合口。
[0013] 进一步，所述烟画个数由隧道需风量确定，本发明算例中为3个。
[0014] 进一步，所述烟画半径为Im。
[0015] 进一步，所述远红外加热装置加热溫度为70 r。
[0016] 进一步，该基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统的验证方法包括：
[0017] 首先，制作1:50隧道实物模型，并进行初步模拟测定加热溫度、设计直径和风速， W验证采用fluent软件进行模拟标定参数的可行性；
[0018]其次，通过fluent软件模拟标定烟画的相关参数，并通过计算用需风量拟定烟画 个数；
[0019] 最后，通过fluent软件进行实际状况模拟对比设计需风量，判断是否满足通风系 统需求。
[0020] 进一步，在进行fluent软件模拟前，需对空气性质进行一定的假设，基本假定方法 为：
[0021] 将隧道内的气体假定为不可压缩体，由克拉伯龙方程可得，不可压缩流体的密度、 压强和溫度符合理想气体状态方程计算公式，如公式(1)所示，
[0022] P = pRT (1)
[0023] 式中:R-一气体常数，在标准状态下，空气气体常数为287jAkg*k);
[0024] 流体在流动的过程中，任一点的压力和流速不随时间而变化，即流体的流动为稳 定流；
[0025] 视流体为连续介质，服从连续性规律，气流在流程各断面上通过的流体质量不变， 各断面的流量也不变；
[0026] 隧道内的气体在隧道内作渐变流动时，其压力与速度沿流程各断面的变化服从能 量守恒定律，即不可压缩流体的伯努利方程。
[0027] 在fluent软件操作中对压力边界、壁面边界条件W及密度、溫度的参数进行边界 设置，根据流体力学理论和流体分析软件的边界条件设置原则，对合适的隧道通风数值计 算边界条件进行相关设置，具体为：
[002引压力边界，
[0029] 压力进口的边界条件需要根据进口的溫度、压强、动能耗散率及素流动能进行定 义，在进行空气流动的数值模拟时，定义边界条件为:除初次验证时数值模拟的边界条件， 溫度条件依据实验设定外，剩余模拟情况下的出口和入口的压强差由公式P = P曲确定，不 设置超静压差；
[0030] 空气密度，
[0031] 由计算的基本假设，取隧道空气密度为常数，或应用不可压理想气体定律对隧道 空气密度进行定义；
[0032] 壁面边界条件，
[0033] 壁面边界条件根据对公路隧道的通风阻力具有影响的隧道沿程摩擦阻力损失系 数入的不同而设置，A的计算如公式（2)所示，
[0034]
[0035] 式中：A--通风管道壁面粗糖物突出高度(m)，
[0036] d--通风管道的当量直径(m)。
[0037] 进一步，所述制作1:50隧道实物模型，并进行初步模拟测定加热溫度、设计直径和 风速;W验证采用fluent软件进行模拟标定参数的可行性，具体为：
[0038] 在Gambit前处理器软件中W笛卡尔坐标系为参考坐标系，建立隧道通风远红外烟 画的几何模型，包括隧道、烟画、隧道壁与烟画的连接管，远红外加热装置设置在连接管处， 隧道为长3Km，截面宽度为6.5m;烟画高100m，设计直径为2m，连接管长3m，半径与烟画相同， 建立几何模型后，完成网格绘制、边界条件定义的操作，保存网格文件和几何模型，为导入 fluent做好准备；
[0039] 制作1:50的实物模型验证fluent的操作可行性：用小型远红外加热器加热，将溫 度控制在70°C，通过实验，测得烟画顶部的风速为8.9m/s，
[0040] 按照实验时相同的气压、溫度，在fluent中画出1:1的几何模型，进行数值分析，此 时烟画内部的平均速度为9.28m/s，误差小于5%。
[0041 ]进一步，通过f luent软件模拟标定烟画的相关参数，包括烟画位置的标定、烟画半 径的标定、加热溫度的标定;并通过计算用需风量拟定烟画个数，在确定烟画个数后标定烟 画间距；
[0042] 烟画位置的标定，W3KM的隧道为准，根据越靠近隧道出口烟气浓度越高运一因 素，对烟画位置进行标定；
[0043] 烟画半径的标定，根据既满足隧道内部需风量而风速恰好不超过隧道内部规定的 最大风速的最小半径，和根据刚好满足需风量的最大半径两个条件进行标定；
[0044] 加热溫度的标定，根据溫度对烟画内部的风速和流量的影响进行标定，同时兼顾 能源与运行成本；
[0045] 计算用需风量的方法为：
[0046] 确定需风量时，需对C0排放量计算、稀释烟雾浓度的需风量计算；
[0047] C0排放量计算：
[004引 C0排放量应按式(3)计算
[0049]
[0050] 式中：Qgg-一隧道全长C0排放量（mVs);q。。一一C0基准排放量（m3/辆? km); fa--考虑CO车况系数;fd--车密度系数;fh--考虑CO的海拔局度系数;fm--考虑CO 的车型系数;fiv-一考虑C0的纵坡-车速系数;n-一车型类别数;Nm-一相应车型的设计交 通量(辆A);
[0051] 稀释C0的需风量应按式(4)计算
[0化2]
[0053] 式中：Qreq(c。)一隧道全长稀释CO的需风量(mVs) ;Po-标准大气压化N/m2); 5--CO设计浓度;P-一隧道设计气压化N/m2) ;T〇-一标准气压化）；T一一隧道夏季的设计 气溫化）；
[0054] 稀释烟雾浓度的需风量计算：
[0055] 烟雾排放量及需风量的计算公式，行车速度分别按80Km/h，70Km/h，60Km/h，50Km/ h，40Km A，30Km A，20Km A，1 OKm/h 时的工况计算；
[0056] 烟雾排放量由式(5)计算：
[0化7]
[005引式中：Qvi--隧道全长烟雾排放量；qvi--烟雾基准排放量（m2/辆? km); fa(VI)--考虑烟雾的车况系数;fh(VI)--考虑烟雾的海拔高度系数;fiv(VI)--考虑烟雾 的纵坡-车速系数;fm(vi)--考虑烟雾的车型系数;邮一-柴油车车型类别数;Nm--相应 车型的交通量(veh/h)。
[0059] 稀释烟雾的需风量由式(6)计算得知
[0060]
[0061] 式中：Qreq(vi)--隧道全长稀释烟雾浓度的需风量(m^s);K-一烟雾设计浓度(m -1)查相关规范取0.0070nfi。
[0062] 本发明通过理论与实际相结合:设计烟画的位置与高度对烟画的通风影响不大， 而烟画半径与加热溫度对通风效果影响较大。W此结果为准，取Im为烟画的设计半径，70°C 为烟画内气体的加热溫度;为验证烟画通风的节能性及可行性，在能源和营运成本方面将 烟画通风和射流风机通风两种通风方式进行比较，通过比较发现:烟画通风可W节省65% W上的能源及营运成本，且没有噪声污染，节能、环保效应明显，是一种可行、节能的公路隧 道通风方式；
[0063] 本发明利用烟画来对隧道进行竖向排风。烟画本身具有烟画效应，由于烟道的上 下部存在较大的压强差，烟画下部的空气会在压力差的作用下会向上升，烟画下部和隧道 内部利用连接管相连，使得隧道在烟画的抽吸作用下完成了空气循环。在连接管内加入远 红外加热装置，对从隧道内部进入连接管内的空气进行加热，加大烟画上下的压强差，加强 烟画的抽吸作用。整个抽吸过程中使用较少的远红外热能，大大减小隧道原有的射流风机 的电能损耗。
[0064] 本发明除了可W适应于新建隧道，也可用于已建成隧道，适应性较强。随着社会发 展，能源问题也逐步变成人们关注的一个焦点，通过隧道"烟画"运一设计，可W较好地进行 能源的利用，减少能源浪费，助力交通的"低碳发展"W及人们的"低碳生活"。
【附图说明】
[0065] 图1是本发明实施例提供的基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统示意图；
[0066] 图2是本发明实施例提供的fluent模拟图一；
[0067] 图3是本发明实施例提供的fluent模拟图二。
[0068] 图中：1、防雨帽；2、烟画；3、连接管;4、远红外加热装置;5、碎落台；6、碎落台开合 口；7、连接管开合口；8、隧道。
[0069] 图4是本发明实施例提供的基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统的验证方法 流程图。
【具体实施方式】
[0070] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0071] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0072] 如图1至图3所示:该基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统设置有隧道8,所述 隧道设置有拱顶，所述基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统还设置有置于隧道拱顶一 侧的烟画2、连接在烟画中下部的连接管3、安装在连接管内的远红外加热装置4、连接在烟 画底部的碎落台5。
[0073] 所述烟画2利用烟画效应用于完成隧道内的空气循环净化；
[0074] 所述远红外加热装置4用于加热连接管内的气体，用于烟画和隧道内产生气压差， 加快空气循环速度，达到隧道换气量的国家标准；
[0075] 所述碎落台5用于收集烟画中碎落的±或杂物。
[0076] 所述烟画顶部安装有防雨帽1，碎落台下部安装有碎落台开合口 6,连接管下部安 装有连接管开合口 7。
[0077] 所述烟画数量系根据隧道需风量确定，算例中为3个。
[0078] 所述烟画半径为Im，高度100m;。
[0079] 所述远红外加热装置加热溫度为70°C，远红外加热装置长度3m。
[0080] 如图4所示:该基于远红外加热的公路隧道烟画通风系统的验证方法包括：
[0081] S101:制作1:50隧道实物模型，并进行初步模拟测定加热溫度、设计直径和风速， W验证采用fluent软件进行模拟标定参数的可行性；
[0082] S102:通过fluent软件模拟标定烟画的相关参数，并通过计算用需风量拟定烟画 个数；
[0083] S103:通过fluent软件进行实际状况模拟对比设计需风量，判断是否满足通风系 统需求。
[0084] 下面结合原理分析和实施例对本发明进一步说明。
[00化]一、研究方法
[0086] (一)隧道正常通风计算基本假定：
[0087] 在进行fluent软件模拟前，需对空气性质进行一定的假设W将复杂状况简化，所 W，在实验前，做出如下基本假定：
[0088] (1)流体是不可压缩的。在隧道通风计算中，由于通风压力一般都在常规范围内， 其溫度和压力的变化不大，流体体积的变化不足W影响计算结果的精度，隧道内的气体通 常均假定为不可压缩体。由克拉伯龙方程可得，不可压缩流体的密度、压强和溫度符合理想 气体状态方程计算公式如公式(1)所示。
[0089] p = pRT 式（1)
[0090] 式中:R-一气体常数，在标准状态下，空气气体常数为287jAkg*k)。
[0091] (2)流体在流动的过程中，任一点的压力和流速不随时间而变化，即流体的流动为 稳定流。
[0092] (3)视流体为连续介质，服从连续性规律，气流在流程各断面上通过的流体质量不 变，各断面的流量也不变。
[0093] (4)隧道内的气体在隧道内作渐变流动时，其压力与速度沿流程各断面的变化服 从能量守恒定律，即不可压缩流体的伯努利方程。
[0094] (二)数值计算边界条件：
[00M]边界条件，指方程组的解应满足的条件。在fluent软件操作中设及对压力边界、壁 面边界条件W及密度、溫度等参数进行边界设置。我们根据流体力学理论和流体分析软件 的边界条件设置原则，对合适的隧道通风数值计算边界条件进行了相关设置：
[0096] (1)压力边界：
[0097] 压力进口的边界条件需要根据进口的溫度、压强、动能耗散率及素流动能等进行 定义。在进行空气流动的数值模拟时，我们根据研究的对象定义边界条件:除初次验证时数 值模拟的边界条件，溫度条件依据实验及资料来设定外，其余模拟情况下的出口和入口的 压强差由公式P = P曲确定，不设置超静压差。
[009引 （2)空气密度：
[0099] 由计算的基本假设可知，可取隧道空气密度为常数，也可应用不可压理想气体定 律对隧道空气密度进行定义。
[0100] (3)壁面边界：
[0101] 壁面边界条件主要是根据公路隧道的沿程摩擦阻力损失系数A的不同而设置，而 沿程摩阻损失系数A的大小对公路隧道的通风阻力具有极大的影响。按照《公路隧道通风设 计细则》推荐的经验公式计算A，如公式(2)所示，
[0102]
式（2)
[0103] 式中：A--通风管道壁面粗糖物突出高度(m)
[0104] d--通风管道的当量直径(m);
[01化]表1远红外烟画通风系统边界条件
[0106]
[0107] (S)准备工作：
[0108] 就烟画通风的数值标定分析而言，本发明进行了端流数值模拟。对于端流数值模 拟来说，目前存在两种方法:直接数值模拟化NS)和间接数值模拟。由于DNS对计算机内存和 计算速度要求非常高，现在的计算机还很难满足，目前还无法用于真正意义的工程计算。而 在间接模型中，常用的端流模型有两大类，Reynolds应力模型和满粘模型。本次数值模拟选 用目前在工程中应用最广泛的满粘模型的两方程模型-Realizablek-e模型，该模型是标准 k-e模型的改进方程，标准k-e模型中端流粘度的系数为常数，而Realizablek-e模型将端流 粘度的系数与应变率联系起来，更能反应端流的物理特性。
[0109] 应用流体分析软件fluent进行隧道通风数值模拟。fluent是目前处于世界领先地 位的CH)软件之一，广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题，采用的 fluents主要的模拟能力包括：用非结构网络求解2D或3D区域内的流动；不可压或可压流 动;稳态分析或瞬态分析;无粘、层流和端流;热、质量、动量、端流和化学组分的体积源项模 型;各种形式的热交换，如自然对流、强迫对流、福射热传导等;惯性(静止)坐标系、非惯性 (旋转)坐标系模型等。
[0110] 基于流体数值模拟软件的特点，在Gambit前处理器软件中W笛卡尔坐标系为参考 坐标系，建立隧道通风远红外烟画的几何模型，其中包括隧道、烟画、隧道壁与烟画的连接 管，远红外加热装置设置在连接管处。隧道为长3Km，截面宽度为6.5m;烟画高100m，设计直 径为2m，连接管长3m，半径与烟画相同。建立几何模型后，完成网格绘制、边界条件定义的操 作，保存网格文件和几何模型，为导入fluent做好准备。
[0111] (四）实验数值模拟：
[0112] 制作了 1:50的实物模型W验证fluent的操作可行性：用小型远红外加热器加热， 将溫度控制在70°C左右，通过实验，测得烟画顶部的风速为8.9m/s。
[0113] 按照实验时相同的气压、溫度等，在fluent中画出1:1的几何模型，进行数值分析， 由模拟结果可知，此时烟画内部的平均速度为9.28m/s。数值模拟结果比实验结果偏大，但 误差小于5%，说明数值模拟结果比较可靠，因此，采用数值模拟方法对1:1的隧道模型进行 分析。
[0114] 表2远红外烟画通风系统实验与数值模拟结果对比分析
[0115]
[0116] (五)相关影响因素分析
[0117] (1)烟画位置、半径和高度的数值模拟分析
[0118] 为验证烟画的半径、高度、设置位置等几何条件对通风效果产生的影响，我们采用 控制变量法，利用端流模型进行不同几何参数下的烟画通风效果的模拟，对烟画的几何设 计参数进行标定。实验结果如表3所示：
[0119] 表3单个烟画通风系统几何数值模拟结果(溫度:70°C)
[0120]
[0121] 由数值模拟结果可知:烟画距隧道入口的位置W及烟画的高度对隧道内风速和风 量的影响不大，而烟画的直径对隧道的通风影响很大：当烟画半径为0.5m时，烟画内部风速 超过GB50051-2013《烟画设计规范》允许的烟画内最大风速30m/s，而烟画半径为1.5m时存 在风量过小的问题。综合施工技术与隧道污染物浓度分布考虑，确定设计烟画模型的各参 数为:烟画高度为100m，烟画半径Im，烟画的设置位置更靠近隧道出口。
[0122] (2)加热溫度
[0123] W远红外加热的溫度为变量，模拟溫度分别为50°C--80°C时，隧道和烟画内部 的风速和流量。由溫度模拟得:70°C为合理加热溫度(既能保证实际通风需求的同时又不造 成能源浪费）。
[0124] 表4烟画通风系统溫度数值模拟结果
[0125]
[01%](六)现有隧道通风算例
[0127] 根据《JTG/TD70/2-02-2014公路隧道通风设计细则》计算排除隧道内部污染物的 需风量。
[0128] 隧道基本资料如下表所示：
[0129] 表5基本资料
[0130]
[0133] 表7隧道内车型比例[0134]
[0131]
[0132]
[0135] C0设计浓度可按《JTG/T D70/2-02-2014公路隧道通风设计细则》查表确定。设计 隧道长度为3000m，查表知S = lOOcmVm3。
[0136] 交通阻滞时取S = 150cmVm3。烟雾设计应按规范查表，设计车速为80Km/h，K(m-l) =0.0070nfi。同时，根据规范规定，在确定需风量时，应对计算行车速度W下各工况车速按 lOkm/h为一档分别进行计算，并考虑交通阻滞时的状态(平均车速为lOkm/h)，取较大者为 设计需风量。
[0139] A.C0排放量和稀释需风量计算[0140] 稀释C0的需风量应按式(3)计算
[0137]
[013 引
[0141]
式巧)
[0142] 式中：Qreq(co)--隧道稀释CO的需风量(V/s );
[0143] Qco-隧道CO排放量(m3/s);
[0144] 5--CO 浓度；
[0145] Po--标准大气压化N/W)，取101.325kN/m2;
[0146] P-隧址大气压化N/W);
[0147] To--标准气溫化），取273K;
[0148] T--隧址夏季气溫化）。
[0149] C0排放量量应按式(4)计算
[0150]
[0151] 式中；
[0152] Qco-隧道全长CO排放量(mVs);
[0153] qco--CO基准排放量(V/辆? km);
[0154] fa--考虑CO车况系数；
[01巧]fd--车密度系数；
[0156] fh--考虑CO的海拔高度系数；
[0157] fm--考虑CO的车型系数，查表；
[0158] fiv--考虑CO的纵坡-车速系数；
[0159] n-车型类别数；
[0160] Nm-一相应车型的设计交通量(辆A);
[0161] (1)正常交通时，C0基准排放量针对2000年的机动车，其qc。应取0.007m^(veh ? km)，2000年W后的机动车排放量按照每年2%递减。
[0162] 交通堵塞的时候，针对2000年的机动车，9。。取为0.015111^(乂611.缸），2000年^后 的机动车基准排放量按照每年2 %递减。
[0163] (2)平均海拔高度:H=0米，所W取标准大气压101.325Kpa
[0164] (3)正常交通时，隧道内CO设计浓度取lOOcmVm3;
[0165] 交通阻滞时，阻滞段的平均CO设计浓度扣〇可取150cmVm3。
[0166] (4)其他参数的取值如下表所示：
[0167] 表8稀释C0的需风量计算(各参数单位参照表达式）
[016 引
[0169] B.稀释烟雾浓度的需风量计算：
[0170] 根据《JTG/T D70/2-02-2014公路隧道通风设计细则》中关于隧道内的烟雾排放量 及需风量的计算公式，行车速度分别按80Km/h，70Km/h，60Km/h，50Km/h，40Km/h，30Km/h， 20Km/h，1 OKm/h (交通阻塞，长度按1 km计算)时的工况计算。
[0171] 烟雾排放量由式(5)计算：
[0172
式（5)
[0173] 式中：Qvi-隧道烟尘排放量(mVs);
[0174] qvi一一设计目标年份的烟尘基准排放量[m2/(veh ? km)];
[0175] fa(VI)--考虑烟尘的车况系数；
[0176] fd--车密度系数取值；
[0177] fh(vi)一一考虑烟尘的海拔高度系数；
[0178] h-一隧道设计海拔高度(m);
[0179] fiv(vi)--考虑烟尘的纵坡-车速系数；
[0180] L一一隧道长度(m);
[0181] fm(VI)-一考虑烟尘的柴油车车型系数；
[0182] no一一柴油车车型类别数；
[0183] Nm--相应车型的交通量(veh/h)。
[0184] 稀释烟雾的需风量由式(6)计算得知 W财
、（6)
[0186]式中：Qreq(VI)--隧道全长稀释烟雾浓度的需风量(m Vs);
[0187] K--烟雾设计浓度(m-1)。
[0188] (1)2000年的机动车尾排有害气体中烟尘的基准排放量取2.0m^(veh ? km)，其后 的机动车按照2 %逐年递减。
[0189] (2)其他参数的取值如下表所示：
[0190] 表9稀释烟雾浓度的需风量计算(各参数单位参照表达式）
[01911
[0192] 由上述计算结果得出：烟尘稀释的需风量为165.88m^s。
[0193] 综上所述，需风量由CO浓度阻塞时的需风量决定。Qreq = 231.68m^s。
[0194] (屯)实况模拟
[0195] 依据算例和数值模拟时的需风量结果，对于算例隧道，设置3个烟画较为合理，故 在f luent中进行如下模拟：
[0196] 此时隧道内部的平均风速为6.68m/s，烟画1内部的平均风速为28.86m/s，烟画2内 部的平均风速为24.84m/s，烟画3内部的平均风速为22.88m/s。此时模型的空气流量为 281.0化g/s，则体积流量为250.89m^/s，满足隧道需风量要求。
[0197] 由于工业烟画直接建造于户外，在保证工业安全的情况下，工业烟画能承受的最 大风速为30m/s。且远红外加热隧道烟画通风系统中，烟画建于山体中，结构相对稳定。对于 隧道而言，规范中也给出高速公路、一级公路中风速不超过lOm/s，二级公路及W下风速不 宜超过7m/s，所W认为模拟结果可用。为满足实际需要，取加热溫度为70°C，烟画设计半径 为Im，高度随山体变化而定，运样，既能满足隧道需风量的要求，又不会造成风速过大，能源 浪费。
[019引二、总述
[0199] 为改善目前隧道营运中的巨大能耗问题，从"烟画原理"出发，对隧道通风系统进 行改善设计。通过对设计"烟画"的加热，增大排烟速率，使隧道通风在保证通风质量的情况 下可W达到节能的状态。
[0200] 在技术层面，烟画的施工方式与隧道中可进行纵向通风的竖井不同，具体比较如 下表：
[0201] 表10烟画与竖井对比
[0202]
[0203] 另外，由于国内隧道建设趋于完成状态，故本发明此次设计的烟画除了可W适应 于新建隧道，也可用于已建成隧道，适应性较强。
[0204] 随着社会发展，能源问题也逐步变成人们关注的一个焦点，通过隧道"烟画"运一 设计，可W较好地进行能源的利用，减少浪费的能源，助力交通的"低碳发展"人们的"低碳 生活'。
[0205] 细节创新
[0206] 考虑到烟画的投入使用，又进行了相应的细节处理：
[0207] 增设碎落台，防止杂物跌入加热管或隧道。在烟画中碎落的一些±或其他物件可 直接掉入碎落台，工作人员定期处理即可。
[020引 S、应用前景
[0209] (一)能源方面
[0210] 就隧道"烟卸'的能耗来看，它采用远红外加热，且通风效果好，相较于隧道射流风 机而言(射流风机在隧道建成后期由于交通量的增加会进行增设），"隧道烟画"的排烟方式 可W节约50 %~80 %的用电量。
[0211] 下面W前述算例中的隧道条件进行通风系统运行能源消耗效果对比试算：
[0212] 若按照传统的机械通风方案，本隧道合计需要15台功率为35kw的射流风机，若15 台风机同步工作，每天工作24个小时计算，其耗电量为35*15*24 = 12600Kw*h，
[0213] 若按照烟画原理的通风系统，根据fluent软件的数值分析可W得出，烟画采用半 径为Im，高度为100m的尺寸，且气体达到70°C时，烟画利用"烟画效应"能为隧道提供风速大 于等于6m/s，风量超过235.5mVs的风力，能充分满足模型中隧道的通风要求。随着远红外 技术的逐渐成熟化，市场上出现了采用远红外加热的高效加热管，根据市场调研得知如需 保持烟画内气体的溫度，保持通风效果，需要使用60kwA的远红外加热管。利用远红外加热 管对隧道内的气体进行加热，因为研究中将烟画作为隧道的唯一通风装置，所W需要24小 时进行工作，3个烟画的能耗仅为60巧4*3 = 4320kw*h，相对于射流风机通风，在采用烟画通 风之后将节省65.7%的能量损耗。
[0214] (二)本发明中的烟画装置在施工层面的技术
[0215] 在烟画施工方面，我们通过相关资讯及有关资料的查找，了解到目前国内有可W 对此类工程进行施工的公司，例如徐州盾安，通过他们的钻孔灌注粧技术即可对烟画进行 施工，且操作简单可行:对于隧道I类围岩，它的钻孔灌注机的效率为80cm/h~Im/h;对于VI 类围岩，其效率为14m/h。施工简单迅速。该公司于2015年研发DTR320甜全套管全回转钻机 最大成粧直径可达3200mm，最大成粧深度可达120米W上，是集全液压动力与传动、机电液 联合控制于一体的新型粧工机械，具有极高的垂直精度，能够在各种复杂地质环境下顺利 实现灌注粧、置换粧、地下连续墙等施工，W及清除旧粧等地下障碍物。另外，无噪音、无振 动、无泥浆，有极高的安全性和环保性。
[0216] (S)经济方面
[0217] 每台射流风机售价为7.5万元，在本文3km长的隧道模型中，总共需要18台该类型 的射流风机(在15台的基础上，按照规范规定需要增加15%的储备）。则射流风机的总造价： P 风机= 7.5 X 18 = 135 万元。
[021引而"烟卸'在深度lOOmW内造价为4~6千元/延米，lOOmW上造价为1~1.2万元/延 米/'烟卧'在本模型中高度为100m，W6千元/延米的造价计算:P烟画=0.6 X 100 X 3= 180 万元，3台远红外设备共需10.5万元，烟画内壁隔热材料24万，烟画整体造价共需214.5万 J L 0
[0219] 本发明所示的通风系统与机械通风在寿命周期内的成本对比如表11所示，总体而 言:烟画的首期建设成本略高，但后期节约效能和维护更新成本优势更为明显。
[0220] 表11隧道的烟画通风和射流风机通风的对比
[0221]
[0222] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，该基于远红外加热的 公路隧道烟囱通风系统设置有隧道，所述隧道设置有拱顶，所述基于远红外加热的公路隧 道烟肉通风系统还设置有置于隧道拱顶一侧的烟肉、连接在烟肉中下部的连接管、安装在 连接管内的远红外加热装置、连接在烟囱底部的碎落台； 所述烟囱利用烟囱效应完成隧道内的空气循环净化； 所述远红外加热装置加热连接管内的气体，用于烟囱和隧道内产生气压差，加快空气 循环速度； 所述碎落台用于收集烟囱中碎落的土或杂物。2. 如权利要求1所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，所述烟 囱顶部安装有防雨帽，碎落台下部安装有碎落台开合门，连接管下部安装有连接管开合门。3. 如权利要求1所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，基于隧 道需风量确定烟囱个数，所需烟囱为3个，相邻烟囱间距为800m。4. 如权利要求1所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，所述烟 囱半径为lm。5. 如权利要求1所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，所述远 红外加热装置加热温度为70 °C。6. 如权利要求1所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，该基于 远红外加热的公路隧道烟囱通风系统的验证方法包括： 首先，制作1:50隧道实物模型，并进行初步模拟测定加热温度、设计直径和风速，以验 证采用fluent软件进行模拟标定参数的可行性； 其次，通过fluent软件模拟标定烟肉的相关参数，并通过计算用需风量拟定烟肉个数； 最后，通过fluent软件进行实际状况模拟对比设计需风量，判断是否满足通风系统需 求。7. 如权利要求6所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，在进行 fluent软件模拟前，需对空气性质进行一定的假设，基本假定方法为： 将隧道内的气体假定为不可压缩体，由克拉伯龙方程可得，不可压缩流体的密度、压强 和温度符合理想气体状态方程计算公式，如公式(1)所示， P = pRT(l) 式中:R--气体常数，在标准状态下，空气气体常数为287J/(kg*k); 流体在流动的过程中，任一点的压力和流速不随时间而变化，即流体的流动为稳定流； 视流体为连续介质，服从连续性规律，气流在流程各断面上通过的流体质量不变，各断 面的流量也不变； 隧道内的气体在隧道内作渐变流动时，其压力与速度沿流程各断面的变化服从能量守 恒定律，即不可压缩流体的伯努利方程。8. 如权利要求6所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，在 fluent软件操作中对压力边界、壁面边界条件以及密度、温度的参数进行边界设置，根据流 体力学理论和流体分析软件的边界条件设置原则，对合适的隧道通风数值计算边界条件进 行相关设置，具体为： 压力边界， 压力进口的边界条件需要根据进口的温度、压强、动能耗散率及紊流动能进行定义，在 进行空气流动的数值模拟时，定义边界条件为:除初次验证时数值模拟的边界条件，温度条 件依据实验设定外，剩余模拟情况下的出口和入口的压强差由公式P=pgh确定，不设置超 静压差； 空气密度， 由计算的基本假设，取隧道空气密度为常数，或应用不可压理想气体定律对隧道空气 密度进行定义； 壁面边界条件， 壁面边界条件根据对公路隧道的通风阻力具有影响的隧道沿程摩擦阻力损失系数A的 不同而设置，A的计算如公式(2)所示，式中：A-一通风管道壁面粗糙物突出高度(m)， d--通风管道的当量直径(m)。9. 如权利要求6所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，所述制 作1:50隧道实物模型，并进行初步模拟测定加热温度、设计直径和风速；以验证采用fluent 软件进行模拟标定参数的可行性，具体为： 在Gambit前处理器软件中以笛卡尔坐标系为参考坐标系，建立隧道通风远红外烟囱的 几何模型，包括隧道、烟囱、隧道壁与烟囱的连接管、远红外加热装置，远红外加热装置设置 在连接管处，隧道为长3Km，截面宽度为6.5m的隧道;烟囱高100m，设计直径为2m，连接管长 3m，半径与烟囱相同，建立几何模型后，完成网格绘制、边界条件定义的操作，保存网格文件 和几何模型，为导入fluent做好准备； 制作1:50的实物模型验证fluent的操作可行性：用小型远红外加热器加热，将温度控 制在70摄氏度，通过实验，测得烟肉顶部的风速;按照实验时相同的气压、温度，在fluent中 画出1:1的几何模型，利用数值模拟得到烟囱顶部风速，计算两种方式的风速差异，以证明 fluent软件的可行性。10. 如权利要求6所述的基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，其特征在于，通过 fluent软件模拟标定烟肉的相关参数，包括烟肉位置的标定、烟肉半径的标定、加热温度的 标定;并通过计算用需风量拟定烟肉个数，在确定烟肉个数后标定烟肉间距； 烟囱位置的标定，以3KM的隧道为准，根据越靠近隧道出口烟气浓度越高这一因素，对 烟囱位置进行标定； 烟囱半径的标定，根据既满足隧道内部需风量而风速恰好不超过隧道内部规定的最大 风速的最小半径，和根据刚好满足需风量的最大半径两个条件进行标定； 加热温度的标定，根据温度对烟肉内部的风速和流量的影响进行标定，同时兼顾能源 与运行成本； 计算用需风量的方法为： 确定需风量时，需对CO排放量计算、稀释烟雾浓度的需风量计算； CO排放量计算： CO排放量应按式(3)计算：式中：Q〇)--隧道全长CO排放量(m3/s) ;q。。--CO基准排放量(m3/辆? km); fa--考虑 CO车况系数;fd--车密度系数;fh--考虑CO的海拔高度系数;fm--考虑CO的车型系数； flv-一考虑⑶的纵坡一车速系数;n-一车型类别数;Nm-一相应车型的设计交通量(辆/ h)； 稀释CO的需风量应按式(4)计算：式中：QreqC。。)一隧道全长稀释C0的需风量(m3/s);Po--标准大气压(KN/m2); 5--CO设 计浓度;P-一隧道设计气压(KN/m2) ;T〇-一标准气压(K) ;T一一隧道夏季的设计气温(K); 稀释烟雾浓度的需风量计算： 烟雾排放量及需风量的计算公式，行车速度分别按80Km/h，70Km/h，60Km/h，50Km/h， 40Km/h，30Km/h，20Km/h，1 OKm/h 时的工况计算； 烟雾排放量由式(5)计算：式中：Qvi--隧道全长烟雾排放量;qvi--烟雾基准排放量(m2/辆? km) ;fa(vi)--考 虑烟雾的车况系数;fh(VI) 考虑烟雾的海拔尚度系数;fiv(VI) 考虑烟雾的纵坡一车速 系数;-一考虑烟雾的车型系数;nD-一柴油车车型类别数;Nm-一相应车型的交通量 (veh/h)； 稀释烟雾的需风量由式(6)计算得知：式中：Qreq(VI)-一隧道全长稀释烟雾浓度的需风量(m3/s) ;K-一烟雾设计浓度(nf1)，查 相关规范取O.OOTOnf1。
【文档编号】E21F1/18GK106050292SQ201610613650
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】张建旭, 王睿, 周忠耀, 徐可, 耿林川, 赵敏杰, 陈红军, 江雪英, 徐湃
【申请人】重庆交通大学