CN106050292A - 一种基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统

技术领域

本发明属于节能设备领域，尤其涉及一种基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统。

背景技术

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。

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，隧道可以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。自改革开放以来，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。所以，在这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。

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以下，这样既可以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。

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“烟囱效应”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囱效应进行发电，效果极佳，在太阳塔的设计中，加热温度为70℃，空气流速为15m/s，可24小时连续使用。由于国内关于“烟囱效应”与隧道的相关研究均未提出利用“烟囱效应”解决隧道通风的相关课题，亦或是仅有对以竖井加热通风代替轴流风机的相关研究。

目前的隧道营运中的能耗存在巨大浪费的问题。

发明内容

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囱通风系统，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，以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。

一种基于远红外加热的公路隧道烟囱通风系统，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囱通风系统还设置有置于隧道拱顶一侧的烟囱、连接在烟囱中下部的连接管、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用于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。

进一步，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。

进一步，所述烟囱个数由隧道需风量确定，本发明算例中为3个。

进一步，所述烟囱半径为1m。

进一步，所述远红外加热装置加热温度为70℃。

进一步，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软件模拟标定烟囱的相关参数，并通过计算用需风量拟定烟囱个数；

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。

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：

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＝ρRT (1)

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。

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＝ρgh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λ的不同而设置，λ的计算如公式(2)所示,

式中：Δ——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)。

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，远红外加热装置设置在连接管处，隧道为长3Km，截面宽度为6.5m；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℃，通过实验，测得烟囱顶部的风速为8.9m/s，

按照实验时相同的气压、温度，在fluent中画出1:1的几何模型，进行数值分析，此时烟囱内部的平均速度为9.28m/s，误差小于5％。

进一步，通过fluent软件模拟标定烟囱的相关参数，包括烟囱位置的标定、烟囱半径的标定、加热温度的标定；并通过计算用需风量拟定烟囱个数，在确定烟囱个数后标定烟囱间距；

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，根据温度对烟囱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_CO——隧道全长CO排放量(m³/s)；q_co——CO基准排放量(m³/辆·km)；f_a——考虑CO车况系数；f_d——车密度系数；f_h——考虑CO的海拔高度系数；f_m——考虑CO的车型系数；f_iv——考虑CO的纵坡-车速系数；n——车型类别数；N_m——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：Q_req(co)--隧道全长稀释CO的需风量(m³/s)；P₀——标准大气压(KN/m²)；δ——CO设计浓度；P——隧道设计气压(KN/m²)；T₀——标准气压(K)；T——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，10Km/h时的工况计算；

烟雾排放量由式(5)计算：

式中：Q_VI——隧道全长烟雾排放量；q_VI——烟雾基准排放量(m²/辆·km)；f_a(VI)——考虑烟雾的车况系数；f_h(VI)——考虑烟雾的海拔高度系数；f_iv(VI)——考虑烟雾的纵坡-车速系数；f_m(VI)——考虑烟雾的车型系数；n_D——柴油车车型类别数；N_m——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：Q_req(VI)——隧道全长稀释烟雾浓度的需风量(m³/s)；K——烟雾设计浓度(m^-1)查相关规范取0.0070m^-1。

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；

本发明利用烟囱来对隧道进行竖向排风。烟囱本身具有烟囱效应，由于烟道的上下部存在较大的压强差，烟囱下部的空气会在压力差的作用下会向上升，烟囱下部和隧道内部利用连接管相连，使得隧道在烟囱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，加大烟囱上下的压强差，加强烟囱的抽吸作用。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。

本发明除了可以适应于新建隧道，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“烟囱”这一设计，可以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”以及人们的“低碳生活”。

附图说明

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囱通风系统示意图；

图2是本发明实施例提供的fluent模拟图一；

图3是本发明实施例提供的fluent模拟图二。

图中：1、防雨帽；2、烟囱；3、连接管；4、远红外加热装置；5、碎落台；6、碎落台开合门；7、连接管开合门；8、隧道。

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囱通风系统的验证方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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以解释本发明，并不用于限定本发明。

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。

如图1至图3所示：该基于远红外加热的公路隧道烟囱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囱通风系统还设置有置于隧道拱顶一侧的烟囱2、连接在烟囱中下部的连接管3、安装在连接管内的远红外加热装置4、连接在烟囱底部的碎落台5。

所述烟囱2利用烟囱效应用于完成隧道内的空气循环净化；

所述远红外加热装置4用于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，达到隧道换气量的国家标准；

所述碎落台5用于收集烟囱中碎落的土或杂物。

所述烟囱顶部安装有防雨帽1，碎落台下部安装有碎落台开合门6，连接管下部安装有连接管开合门7。

所述烟囱数量系根据隧道需风量确定，算例中为3个。

所述烟囱半径为1m，高度100m；。

所述远红外加热装置加热温度为70℃，远红外加热装置长度3m。

如图4所示：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：

S101: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；

S102：通过fluent软件模拟标定烟囱的相关参数，并通过计算用需风量拟定烟囱个数；

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。

下面结合原理分析和实施例对本发明进一步说明。

一、研究方法

(一)隧道正常通风计算基本假定：

在进行fluent软件模拟前，需对空气性质进行一定的假设以将复杂状况简化，所以，在实验前，做出如下基本假定：

(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，其温度和压力的变化不大，流体体积的变化不足以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、压强和温度符合理想气体状态方程计算公式如公式(1)所示。

P＝ρRT 式(1)

式中：R——气体常数，在标准状态下，空气气体常数为287J/(kg*k)。

(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。

(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。

(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。

(二)数值计算边界条件：

边界条件，指方程组的解应满足的条件。在fluent软件操作中涉及对压力边界、壁面边界条件以及密度、温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：

(1)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，温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＝ρgh确定，不设置超静压差。

(2)空气密度：

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。

(3)壁面边界：

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λ的不同而设置，而沿程摩阻损失系数λ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λ，如公式(2)所示,

式中：Δ——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)；

表1远红外烟囱通风系统边界条件

(三)准备工作：

就烟囱通风的数值标定分析而言，本发明进行了湍流数值模拟。对于湍流数值模拟来说，目前存在两种方法：直接数值模拟(DNS)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，常用的湍流模型有两大类，Reynolds应力模型和涡粘模型。本次数值模拟选用目前在工程中应用最广泛的涡粘模型的两方程模型-Realizablek-ε模型，该模型是标准k-ε模型的改进方程，标准k-ε模型中湍流粘度的系数为常数，而Realizablek-ε模型将湍流粘度的系数与应变率联系起来，更能反应湍流的物理特性。

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CFD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fluent6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、层流和湍流；热、质量、动量、湍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、辐射热传导等；惯性(静止)坐标系、非惯性(旋转)坐标系模型等。

基于流体数值模拟软件的特点，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，其中包括隧道、烟囱、隧道壁与烟囱的连接管，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。

(四)实验数值模拟：

制作了1:50的实物模型以验证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℃左右，通过实验，测得烟囱顶部的风速为8.9m/s。

按照实验时相同的气压、温度等，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，此时烟囱内部的平均速度为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。

表2远红外烟囱通风系统实验与数值模拟结果对比分析

(五)相关影响因素分析

(1)烟囱位置、半径和高度的数值模拟分析

为验证烟囱的半径、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，利用湍流模型进行不同几何参数下的烟囱通风效果的模拟，对烟囱的几何设计参数进行标定。实验结果如表3所示：

表3单个烟囱通风系统几何数值模拟结果(温度：70℃)

由数值模拟结果可知：烟囱距隧道入口的位置以及烟囱的高度对隧道内风速和风量的影响不大，而烟囱的直径对隧道的通风影响很大：当烟囱半径为0.5m时，烟囱内部风速超过GB50051-2013《烟囱设计规范》允许的烟囱内最大风速30m/s，而烟囱半径为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，确定设计烟囱模型的各参数为：烟囱高度为100m，烟囱半径1m，烟囱的设置位置更靠近隧道出口。

(2)加热温度

以远红外加热的温度为变量，模拟温度分别为50℃——80℃时，隧道和烟囱内部的风速和流量。由温度模拟得：70℃为合理加热温度(既能保证实际通风需求的同时又不造成能源浪费)。

表4烟囱通风系统温度数值模拟结果

(六)现有隧道通风算例

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。

隧道基本资料如下表所示：

表5基本资料

表6隧道交通量预测值

表7隧道内车型比例

CO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δ＝100cm³/m³。

交通阻滞时取δ＝150cm³/m³。烟雾设计应按规范查表，设计车速为80Km/h，K(m-1)＝0.0070m^-1。同时，根据规范规定，在确定需风量时，应对计算行车速度以下各工况车速按10km/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10km/h)，取较大者为设计需风量。

CO：

烟雾：

A.CO排放量和稀释需风量计算

稀释CO的需风量应按式(3)计算

式中：Q_req(CO)——隧道稀释CO的需风量(m³/s)；

Q_CO——隧道CO排放量(m³/s)；

δ——CO浓度；

P₀——标准大气压(kN/m²)，取101.325kN/m²；

P——隧址大气压(kN/m²)；

T₀——标准气温(K)，取273K；

T——隧址夏季气温(K)。

CO排放量量应按式(4)计算

式中：

Q_CO——隧道全长CO排放量(m³/s)；

q_co——CO基准排放量(m³/辆·km)；

f_a——考虑CO车况系数；

f_d——车密度系数；

f_h——考虑CO的海拔高度系数；

f_m——考虑CO的车型系数，查表；

f_iv——考虑CO的纵坡-车速系数；

n——车型类别数；

N_m——相应车型的设计交通量(辆/h)；

(1)正常交通时，CO基准排放量针对2000年的机动车，其q_co应取0.007m³/(veh·km)，2000年以后的机动车排放量按照每年2％递减。

交通堵塞的时候，针对2000年的机动车，q_co取为0.015m³/(veh·km)，2000年以后的机动车基准排放量按照每年2％递减。

(2)平均海拔高度：H＝0米，所以取标准大气压101.325Kpa

(3)正常交通时，隧道内CO设计浓度取100cm³/m³；

交通阻滞时，阻滞段的平均CO设计浓度δ_CO可取150cm³/m³。

(4)其他参数的取值如下表所示：

表8稀释CO的需风量计算(各参数单位参照表达式)

B.稀释烟雾浓度的需风量计算：

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，10Km/h(交通阻塞，长度按1km计算)时的工况计算。

烟雾排放量由式(5)计算：

式中：Q_VI——隧道烟尘排放量(m²/s)；

q_VI——设计目标年份的烟尘基准排放量[m²/(veh·km)]；

f_a(VI)——考虑烟尘的车况系数；

f_d——车密度系数取值；

f_h(VI)——考虑烟尘的海拔高度系数；

h——隧道设计海拔高度(m)；

f_iv(VI)——考虑烟尘的纵坡-车速系数；

L——隧道长度(m)；

f_m(VI)——考虑烟尘的柴油车车型系数；

n_D——柴油车车型类别数；

N_m——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：Q_req(VI)——隧道全长稀释烟雾浓度的需风量(m ³/s)；

K——烟雾设计浓度(m^-1)。

(1)2000年的机动车尾排有害气体中烟尘的基准排放量取2.0m²/(veh·km)，其后的机动车按照2％逐年递减。

(2)其他参数的取值如下表所示：

表9稀释烟雾浓度的需风量计算(各参数单位参照表达式)

由上述计算结果得出：烟尘稀释的需风量为165.88m³/s。

综上所述，需风量由CO浓度阻塞时的需风量决定。Q_req＝231.68m³/s。

(七)实况模拟

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个烟囱较为合理，故在fluent中进行如下模拟：

此时隧道内部的平均风速为6.68m/s，烟囱1内部的平均风速为28.86m/s，烟囱2内部的平均风速为24.84m/s，烟囱3内部的平均风速为22.88m/s。此时模型的空气流量为281.02kg/s，则体积流量为250.89m³/s，满足隧道需风量要求。

由于工业烟囱直接建造于户外，在保证工业安全的情况下，工业烟囱能承受的最大风速为30m/s。且远红外加热隧道烟囱通风系统中，烟囱建于山体中，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10m/s，二级公路及以下风速不宜超过7m/s，所以认为模拟结果可用。为满足实际需要，取加热温度为70℃，烟囱设计半径为1m，高度随山体变化而定，这样，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。

二、总述

为改善目前隧道营运中的巨大能耗问题，从“烟囱原理”出发，对隧道通风系统进行改善设计。通过对设计“烟囱”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以达到节能的状态。

在技术层面，烟囱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：

表10烟囱与竖井对比

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囱除了可以适应于新建隧道，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“烟囱”这一设计，可以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”。

细节创新

考虑到烟囱的投入使用，又进行了相应的细节处理：

增设碎落台，防止杂物跌入加热管或隧道。在烟囱中碎落的一些土或其他物件可直接掉入碎落台，工作人员定期处理即可。

三、应用前景

(一)能源方面

就隧道“烟囱”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)，“隧道烟囱”的排烟方式可以节约50％～80％的用电量。

下面以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：

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，

若按照烟囱原理的通风系统，根据fluent软件的数值分析可以得出，烟囱采用半径为1m，高度为100m的尺寸，且气体达到70℃时，烟囱利用“烟囱效应”能为隧道提供风速大于等于6m/s，风量超过235.5m³/s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囱内气体的温度，保持通风效果，需要使用60kw/h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，因为研究中将烟囱作为隧道的唯一通风装置，所以需要24小时进行工作,3个烟囱的能耗仅为60*24*3＝4320kw*h，相对于射流风机通风，在采用烟囱通风之后将节省65.7％的能量损耗。

(二)本发明中的烟囱装置在施工层面的技术

在烟囱施工方面，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以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桩技术即可对烟囱进行施工，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～1m/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DTR3205H全套管全回转钻机最大成桩直径可达3200mm，最大成桩深度可达120米以上，是集全液压动力与传动、机电液联合控制于一体的新型桩工机械，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桩、置换桩、地下连续墙等施工，以及清除旧桩等地下障碍物。另外，无噪音、无振动、无泥浆，有极高的安全性和环保性。

(三)经济方面

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＝7.5×18＝135万元。

而“烟囱”在深度100m以内造价为4～6千元/延米，100m以上造价为1～1.2万元/延米。“烟囱”在本模型中高度为100m，以6千元/延米的造价计算：P烟囱＝0.6×100×3＝180万元，3台远红外设备共需10.5万元，烟囱内壁隔热材料24万，烟囱整体造价共需214.5万元。

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：烟囱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。

表11隧道的烟囱通风和射流风机通风的对比

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

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囱通风系统还设置有置于隧道拱顶一侧的烟囱、连接在烟囱中下部的连接管、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1m。

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℃。

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软件模拟标定烟囱的相关参数，并通过计算用需风量拟定烟囱个数；

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＝ρRT(1)

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＝ρgh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λ的不同而设置，λ的计算如公式(2)所示,

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{(1.138-2\lg (\mathrm{\Δ}/d\left)\right)}---\left(2\right)$

式中：Δ——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，测得烟囱顶部的风速；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软件模拟标定烟囱的相关参数，包括烟囱位置的标定、烟囱半径的标定、加热温度的标定；并通过计算用需风量拟定烟囱个数，在确定烟囱个数后标定烟囱间距；

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，根据温度对烟囱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：

$Q_{CO}=\frac{1}{3.6\×{10}^6}\·q_{CO}\·f_a\·f_d\·f_h\·f_{iv}\·L\·\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}(N_m\·f_m)---\left(3\right)$

式中：Q_CO——隧道全长CO排放量(m³/s)；q_co——CO基准排放量(m³/辆·km)；f_a——考虑CO车况系数；f_d——车密度系数；f_h——考虑CO的海拔高度系数；f_m——考虑CO的车型系数；f_iv——考虑CO的纵坡—车速系数；n——车型类别数；N_m——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：

$Q_{req\left(CO\right)}=\frac{Q_{CO}}{\mathrm{\δ}}\·\frac{P_0}{P}\·\frac{T}{T_0}\·{10}^6---\left(4\right)$

式中：Q_req(co)--隧道全长稀释CO的需风量(m³/s)；P₀——标准大气压(KN/m²)；δ——CO设计浓度；P——隧道设计气压(KN/m²)；T₀——标准气压(K)；T——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，10Km/h时的工况计算；

烟雾排放量由式(5)计算：

$Q_{VI}=\frac{1}{3\·6\×{10}^6}\·q_{VI}\·f_{a\left(VI\right)}\·f_d\·f_{h\left(VI\right)}\·f_{iv\left(VI\right)}\·L\·\underset{m=1}{\overset{n_D}{\Σ}}(N_m\·f_{m\left(VI\right)})---\left(5\right)$

式中：Q_VI——隧道全长烟雾排放量；q_VI——烟雾基准排放量(m²/辆·km)；f_a(VI)——考虑烟雾的车况系数；f_h(VI)——考虑烟雾的海拔高度系数；f_iv(VI)——考虑烟雾的纵坡—车速系数；f_m(VI)——考虑烟雾的车型系数；n_D——柴油车车型类别数；Nm——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：

$Q_{req\left(VI\right)}=\frac{Q_{VI}}{K}---\left(6\right)$

式中：Q_req(VI)——隧道全长稀释烟雾浓度的需风量(m³/s)；K——烟雾设计浓度(m^-1)，查相关规范取0.0070m^-1。