Способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей в зимний период

 

Изобретение относится к вентиляции горных выработок при выделении в них вредных веществ и может быть использовано для управления тепловым режимом железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями. Способ характеризуется тем, что наружный воздух, подаваемый в тоннель и параллельную ему штольню, при отсутствии в тоннеле транспортных средств вначале подогревают до + 2°С, затем разделяют на две части, одну из которых направляют в штольню, а другую часть догревают до температуры, устанавливаемой условием исключения процессов наледеобразования и определяемой по предлагаемому соотношению, и подают в тоннель. При наличии в тоннеле транспортных средств прекращают подачу воздуха в выработку, параллельную тоннелю, и весь объем подогретого воздуха направляют в тоннель вслед за проходящим поездом. Температуру догрева определяют по приведенной зависимости. Благодаря реализации обеспечивается технический результат, состоящий в том, что обеспечивается проветривание тоннеля в случае выделения в его выработках вредных веществ при одновременном снижении энергетических затрат на создание положительного теплового режима, исключающего процессы образования наледей. 1 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области вентиляции горных выработок и может быть использовано для управления тепловым режимом железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями.

Известен способ регулирования теплового режима угольных шахт, работающих в зоне вечной мерзлоты, основанный на подогреве воздуха в зимнее время до отрицательных температур, обеспечивающих принцип нулевого теплового баланса (см. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера, М., "Недра", 1968, с. 173).

Недостатком данного способа регулирования применительно к железнодорожным тоннелям является создание благоприятных условий для образования наледей, т.к. в результате теплообмена с наружным холодным воздухом происходит замерзание воды, дренирующейся в тоннель.

Известен способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей, включающий подачу нагретого до положительной температуры наружного воздуха в тоннель по шахтному стволу и отвод его через порталы тоннеля (см. Цодиков В. Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. М., "Недра", 1975, с.375).

Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает безаварийную эксплуатацию тоннелей, так как приводит к образованию наледей у порталов тоннеля. Это связано с тем, что воздух, достигающий порталов тоннеля, имеет температуру недостаточно высокую для компенсации холода, вносимого поездами в тоннель, в период действия поршневого эффекта.

Известен способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей (авт. свид. СССР N 1090886 М. Кл. 5 E 21 F 3/00, 1984), в котором подачу нагретого наружного воздуха в тоннель осуществляют периодически в периоды отсутствия поезда в тоннеле и прекращают в течение времени его движение по тоннелю, причем подачу воздуха осуществляют в сечение тоннеля с температурой тоннельного воздуха, близкой к нулю, и обеспечивают его перемещение в направлении, обратном движению поезда, а количество воздуха и необходимую температуру его подогрева устанавливают по полученным соотношениям.

Недостатками этого способа являются сложный режим организации проветривания, приводящий к необходимости периодического включения и выключения вентиляторов, что негативно сказывается на их работоспособности, высокие энергетические затраты на подогрев воздуха и обеспечение его перемещения в заданном направлении в необходимом количестве.

Известен способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей в зимний период (авт. свид. N 1627723 М. Кл. 5 F 21 F 3/00, 1/00, 1991), принятый за прототип, включающий подачу наружного воздуха в тоннель под действием естественной тяги, подогрев его до положительной температуры за счет смешения с тоннельным воздухом, предварительно отбираемым из сечения тоннеля с положительной температурой, направляемым к порталу с входящей вентиляционной струей и нагреваемым у него до необходимой температуры, и вывод исходящей струи наружу через противоположенный портал.

Недостатки этого способа связаны со сложностью его использования при наличии в выработках тоннелей выделения вредных веществ, приводящих к прогрессирующему во времени загрязнению воздушной среды, что, в свою очередь, влечет за собой необходимость увеличение количества воздуха и как следствие рост энергетических затрат на его подогрев.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение концентрации вредных веществ в воздушной среде при одновременном уменьшении энергетических затрат на подогрев воздуха.

Задача решается тем, что в предложенном способе, включающем подачу предварительно подогретого до положительной температуры наружного воздуха в один или оба портала тоннеля и параллельною ему штольни и отвод исходящей воздушной струи наружу соответственно через противоположенный портал или стволы, при отсутствии в тоннеле транспортных средств весь объем наружного воздуха сначала подогревают до 2^oC, затем одну часть воздуха подают в штольню, параллельную тоннелю, а другую часть направляют непосредственно в тоннель, предварительно догревая ее до температуры, определяемой по соотношению где G_п, G_т, G_ш - соответственно количества воздуха, поступающее в тоннель при нахождении в нем транспортных средств, подаваемое в тоннель в промежутки между поездами и направляемое для проветривания штольни; τ_n и τ_от - относительные времена действие поршневого эффекта от транспортных средств и его отсутствия; t_н - температура наружного воздуха, а в период нахождения в тоннеле транспортных средств прекращают подачу воздуха в штольню и весь объем подогретого воздуха направляют в тоннель вслед за проходящим поездом.

Предлагаемый способ поясняется, где изображена одна из возможных вентиляционных схем его реализации. Схема вентиляции включает железнодорожный тоннель 1, вентиляционную штольню (параллельная выработка) 2, ствол 3, подходную штольню 4, кроссинг 5, порталы 6 тоннеля и штольни, сбойки 7, соединяющие тоннель 1 и штольню 2, перемычки 8, установленные в сбойках 7, камеру 9 вентиляторов 10, вентиляционные ворота 11 на портале тоннеля 1, вентиляционные ворота 12 на портале штольни 2, первую группу калориферных установок 13, вторую группу калориферных установок 14.

В зимний период при отсутствии транспортных средств холодный наружный воздух с помощью вентиляторов 10, расположенных в камере вентиляторов 9, или под действием естественной тяги подается в первую группу калориферов 13, сооруженных у порталов 6 тоннеля 1 и штольни 2, где весь объем наружного воздуха подогревается до температуры 2^oC, исключающей замерзание воды, движущейся по почве и стенкам штольни 2. После этого часть воздуха, количество которого определяется видом, интенсивностью выделения и топологией распределения источников вредностей по длине штольни 2, направляется в нее через открытые вентиляционные ворота 12 и движется по штольне по направлению к подходной 4 и стволу 3, через которые удаляется из штольни 2. Другая часть воздуха, численное значение которой также зависит от особенностей выделения вредностей в тоннеле, поступает во вторые группы калориферных установок 14, где догревается до необходимой температуры, исключающей процессы наледеобразования в нем, и через проем, выполненный в вентиляционных воротах 11 для пропуска контактного провода, подается в тоннель 1. Двигаясь по тоннелю 1 в направлении от порталов 6 к его центральной части, воздух достигает кроссинга 5, по которому направляется в подходную 4, а затем через ствол 3 выводится на поверхность. Все перемычки 8 в сбойках 7, соединяющих тоннель 1 и штольню 2, находятся в закрытом положении.

При появлении в тоннеле 1 транспортных средств вентиляционные ворота 11 на одном из порталов 6 тоннеля 1 открываются для пропуска поезда, а ворота 12, находящиеся на этом же портале у штольни, закрываются. Вследствие этого весь объем наружного воздуха, поступающий в тоннель через один из порталов, подогревшись в первой 13 и второй 14 группах калориферов, направляется в тоннель вслед за движущимся поездом, смешиваясь с холодным наружным воздухом, засасываемым в тоннель в результате действия поршневого эффекта. Результирующая температура смеси холодного и подогретого воздуха становится значительно выше, чем температура атмосферного воздуха, что снижает вероятность развития в тоннеле процессов наледеобразования.

Необходимая величина подогрева подаваемого в тоннель воздуха t_под (подогрев воздуха во второй ступени калориферов) определяется с учетом возможного поступления в тоннель в период действия поршневого эффекта, характеризующегося относительной длительностью τ_п, холодного наружного воздуха, имеющего температуру t_н и расход G_п. Если количество воздуха, подаваемое в тоннель в течение периода, характеризующегося отсутствием поршневого эффекта (относительная длительность этого периода τ_от), равно G_т, а количество и температура воздуха, направляемое в этот период в штольню, составляет соответственно C_ш и 2^oC, то результирующая температура воздуха, поступающего в портал в период действия поршневого эффекта, определиться как: t_п =(t_н·G_п+t_под·G_т+2·G_ш)/ (G_п+G_т+G_ш) (1) Исключение процесса наледеобразования в тоннеле возможно при обеспечении средней температуры поступающего воздуха за периоды отсутствия влияния поршневого эффекта и его наличия, равной +2^oC. Тогда имеем 2 = t_п·τ_п+t_под·τ_от. (2) Подставив значение t_п из равенства (1) в уравнение (2) и выразив оттуда температуру t_под, получим:

При этом необходимая тепловая мощность калориферных установок в первой N₁ и второй N₂ ступенях будет равна:

где ρ_в - плотность воздуха.

Пример реализации способа
Примем, что температура наружного воздуха равна температуре наиболее холодной пятидневки, т. е. t_н= -45^oC; при режиме движения транспортных средств, характеризующимся скоростью движения поездов 60 км/ч, интенсивностью движения 29 пар/сут, и длине тоннеля 15,3 км относительное время действия поршневого эффекта от проходящих поездов составляет τ_п = 0,41, а относительное время его отсутствия равно τ_от = 0,59; среднее количество воздуха, поступающее в тоннель в период действия поршневого эффекта, при температуре наружного воздуха -45^oC принято равным G_п- 60 м³/с; необходимый расход воздуха для проветривания тоннеля в периоды отсутствия там транспортных средств составляет G_т= 20 м³/с, а количество воздуха для проветривания штольни G_ш= 15 м³/с.

По формуле (3) вычислим необходимую величину подогрева наружного воздуха, подаваемого в тоннель в периоды отсутствия поршневого эффекта:
t_под [2·(60+15+20)+(2·20+45·60)·0,41]/[15+(20+60)·0,59] = 21,1^oC
По формулам (4), (5), получим:
N₁= 1,005·1,43·15·(2+45)= 1012 кВт, N₂=1,005·1,18·20·(21,1-2)=453 кВт
Суммарные энергозатраты составляют 1465 кВт.

При традиционном способе подогрева, когда в калориферы направляется весь воздух, необходимый доля проветривания тоннеля и штольни, общее энергопотребление составляет 3325 кВт. Таким образом, экономия энергозатрат при использовании предлагаемого способа будет равна 1860 кВт в расчете на каждый портал или 3720 кВт для тоннеля в целом.

Использование предлагаемого способа регулирования позволяет повысить безопасность эксплуатации железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровым климатом и эксплуатируемых при выделении в их выработках вредных веществ, одновременно снизить энергетических затраты на подогрев воздуха.

Формула изобретения

Способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей в зимний период, включающий подачу предварительного подогретого до положительной температуры наружного воздуха в один или одновременно оба портала тоннеля и параллельную ему штольню и отвод исходящей воздушной струи наружу соответственно через противоположные порталы или стволы, отличающийся тем, что при отсутствии в тоннеле транспортных средств весь объем наружного воздуха сначала подогревают до 2^oC, затем одну часть воздуха подают в штольню, параллельную тоннелю, а другую часть направляют непосредственно в тоннель, предварительно догревая ее до температуры, определяемой по соотношению

где G_n, G_т, G_m - соответственно количество воздуха, поступающее в тоннель при нахождении в нем транспортных средств, подаваемое в тоннель в промежутки между поездами и направляемое для проветривания штольни, параллельной тоннелю;
τ_n и τ_от - относительные времена действия поршневого эффекта от транспортных средств и его отсутствия;
t_н - температура наружного воздуха,
а в периоды нахождения в тоннеле транспортных средств прекращают подачу воздуха в штольню, и весь объем подогретого воздуха направляют в тоннель вслед за проходящим поездом.

РИСУНКИ

Рисунок 1