CN110552733A - 一种高地温地质隧道降温系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高地温地质隧道降温系统及应用方法，通过冷水循环降温和蒸发相变吸收能量两种作用方式，实现高地温地质隧道内部环境降温，降温系统包括导水导气装置、储水沸腾装置和气体排热装置；系统通过导水导气装置将冷水通入导水管中，冷水在流动过程中吸收热量，并流入沸腾箱；气体排热装置中的抽气泵不断抽取沸腾箱内空气，以降低箱内气压；水储存于储水沸腾装置后，伴随气压不断降低达到低压条件下的水沸点，水发生相变，经沸腾过程吸收大量热量，并以水蒸气形式被导气装置排出。本发明结合冷水循环降温和相变吸收能量，以达到对隧道内部快速降温、集中排热的目的，有效改善高地温地质条件下的高温恶劣环境，提高人员舒适度与工作效率。

Description

一种高地温地质隧道降温系统及应用方法

技术领域：

本发明涉及高地温地质隧道降温技术手段领域，特别是涉及一种高地温地质隧道降温系统及应用方法，用于高地温隧道内部降温散热。

背景技术：

伴随国民经济飞速发展，我国基础设施建设逐步深入地质条件复杂区域。高地温及地热异常区域是隧道常穿越的复杂地质环境，尤其集中于我国西藏、云南、新疆等地区，由于地下热活动频繁，导致隧道施工过程极易受高地热影响，严重威胁隧道建设及长期运营。如西藏拉日铁路的吉沃希噶隧道，最大埋深102米，地热最高温度达65.4℃；云南大瑞铁路的高黎贡山隧道，最大埋深1155米，地热最高温度可达100℃；新疆布仑口-公格尔电站引水隧洞，最大埋深300米，地热最高温度可达82℃。然而，这些区域地处我国国民民生需求及国家战略发展控制性地段，高地温地质隧道降温技术研究亟待开展。

在当前研究中，考虑地下隧道工作环境较为封闭，高温环境将对施工产生严重影响，所以隧道内部需要做好降温处理措施。目前针对隧道高地温问题也采取了一些解决措施，诸如设置隔热层、喷水蒸发降温、冷水循环降温等方法，但上述方法收效甚微，并不能有效解决隧道高地温影响施工的问题。

发明内容：

本发明目的在于提供一种高地温地质隧道降温系统及应用方法，用于解决上述背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种高地温地质隧道降温系统，其特征在于：包括储水沸腾装置、气体排热装置及多个导水导气装置，多个导水导气装置的进出口依次串联，远离工作面的导水导气装置的出气口连接气体排热装置的入口，靠近工作面的导水导气装置的出水口和进气口连接储水沸腾装置的进水口和出气口，储水沸腾装置靠近工作面附近的岩壁安装，多个导水导气装置沿隧道长度方向依次布置；

所述导水导气装置包括注水口、导水管、导气管、第一隔热板；导水管固定在第一隔热板上，导水管的进水口连接注水口，在导水管的上方的第一隔热板上通过导气管固定卡固定有导气管，导气管沿隧道长度方向布置；所述第一隔热板固定在隧道的岩壁上；

所述储水沸腾装置包括沸腾箱、第二隔热板；所述沸腾箱通过第二隔热板固定在工作面附近的隧道岩壁上，沸腾箱下部设有沸腾箱进水口，沸腾箱进水口通过相关管路及导水管连接头连接相邻的导水导气装置的导水管出水口，沸腾箱的上部设有沸腾箱出气口，沸腾箱出气口通过相关管路及导气管连接头连接相邻的导水导气装置的导气管的进气口；

所述气体排热装置包括抽气泵、排热管、散热箱，抽气泵的进气端连接相邻导水导气装置的导气管出气口，抽气泵的出气端通过排热管连接排热管接口，排热管接口连接散热箱；所述散热箱放置在隧道的地面上，抽气泵固定在导气管末端的隧道岩壁上。

所述导水导气装置中的导水管直径小于导气管直径。

所述导水导气装置中第一隔热板设置为固定尺寸，多组相同导水导气装置的第一隔热板插接在一起，相应管道之间利用接头连接。

所述沸腾箱上安装有压力表。

散热箱中放置冰块。

所述系统设置在隧道内部靠近工作面10m的范围内。

上述的隧道降温系统的应用方法，该方法的步骤是；

1)计算出任意压力及温度状态下水蒸发为1m3水蒸气所要吸收的热量，总结出温度、压力、水蒸发为1m3水蒸气所要吸收的热量之间的对应关系，并列表；

2)根据列表中的温度数据和水蒸发为1m3水蒸气所要吸收的热量数据，进行函数拟合，得到1m3水蒸气所要吸收的热量与温度数据的关系式，对于该关系式在初始环境温度t1和目标环境温度t2之间进行积分，得到式(3)，

其中，K为蒸发1m3水蒸气环境温度从t₁下降到t₂时吸收的热量；

3)再计算蒸发1m3水蒸气使得环境温度从t₁下降到t₂时，所能影响隧道内局部空气体积；结合隧道施工空间总体积、步骤2)计算的K值以及从初始环境温度t₁下降到目标温度t₂所需时间，设定抽气泵的对应额定功率；

同时查步骤1)的列表找到目标环境温度t所对应的目标压强，进而确定储水沸腾装置内部所需要达到的目标气压；

将冷水从远离工作面的导水导气装置的注水口注入，使冷水在导水管内流通，并在其流动过程中吸收热量，最终流向储水沸腾装置中的沸腾箱；利用气体排热装置中抽气泵抽取沸腾箱内部空气，使得沸腾箱内气压降低，导致沸腾箱内水的沸点降低；水从导水管流向沸腾箱时液面蒸发面积迅速增大，加之气压降低，导致水开始沸腾，吸收大量的热。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1.与传统冷水循环降温技术降温效果差，并且需对循环之后的水进行重复降温，浪费能源相比，本发明先利用冷水对隧道内部环境进行降温，带走部分热量，之后通过改变沸腾箱内部压强，导致水在蒸发箱内沸腾吸热可带走大部分热量。本发明在冷水降温的基础上，利用水的相变吸收大量的热，操作简单，降温效果显著。

2.本发明所述导水导气装置是利用不锈钢管螺纹连接而成的装配式管片作为导水管，对于不锈钢管维修、养护时拆卸组装简便，每一块隔热板及其上的导水管和导气管组成一组导水导气装置，相邻的隔热板之间与相邻的导水管之间组装简单快速，并且随着隧道施工的推进，可拆卸循环使用。

3.本发明所述气体排热装置将抽出的热空气和带有热量的水蒸气集中进行降温处理，保证热量不影响隧道内部降温处理，并且操作简便，成本较低。

4.本发明接近工作面处设置一组隧道降温系统，随着隧道掌子面推进即可安装，通过采取分段降温方式(第一段为连接的多组导水导气装置在注水后可针对隧道一段范围内进行冷水吸热降温，第二段为在接近工作面(掌子面)处的沸腾箱内注水后通过改变内部压强发生水的相变导致集中吸收大量热，从而快速使施工环境温度得到快速降低)，保证隧道各个施工阶段均可以进行快速有效的降温处理。

综上，本发明系统通过冷水循环降温和相变吸收能量两种作用方式，实现高地温地质隧道内部环境降温，系统通过导水导气装置将冷水通入导水管中，冷水在流动过程中吸收热量；气体排热装置中抽气泵不断抽取沸腾箱内空气，以降低沸腾箱内气压；水储存于储水沸腾装置后，伴随气压不断降低达到低压条件的水沸点，水发生相变，经沸腾过程吸收大量热。本发明结合冷水循环降温和相变吸收能量，以达到对隧道内部快速降温、集中排热的目的，有效解决高地温问题。

附图说明：

附图1是高地温地质隧道降温系统构造示意图。

附图2是高低温地质隧道降温系统装置连接示意图。

附图3是高地温地质隧道降温系统隧道横截面安装位置示意图。

附图4是高地温地质隧道降温系统隧道纵截面安装方式示意图(a-a截面图)。

附图5是温度与蒸发1m3水蒸气所要吸收的热量的拟合曲线图。

图中：1-注水口；2-导水管；3-沸腾箱进水口；4-导水管连接头；5-沸腾箱；6-沸腾箱出气口；7-导气管；8-导气管连接头；9-抽气泵；10-排热管；11-排热管接口；12-散热箱；13-导水管固定卡、15-导气管固定卡；14-第一隔热板；16-第二隔热板。

具体实施方式：

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的结构不仅局限于以下实施例。

参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种高地温地质隧道降温系统，包括储水沸腾装置、气体排热装置及多个导水导气装置，多个导水导气装置的进出口依次串联，远离工作面的导水导气装置的出气口连接气体排热装置的入口，靠近工作面的导水导气装置的出水口和进气口连接储水沸腾装置的进水口和出气口，储水沸腾装置靠近工作面附近的岩壁安装，多个导水导气装置沿隧道长度方向依次布置；

所述导水导气装置包括注水口1、导水管2、导气管7、第一隔热板14；导水管2呈蛇形固定在第一隔热板14上，导水管2的进水口连接注水口1，在导水管2的上方的第一隔热板14上通过导气管固定卡15固定有导气管7，导气管7沿隧道长度方向布置；所述第一隔热板14固定在隧道的岩壁上；

所述储水沸腾装置包括沸腾箱5、第二隔热板16；所述沸腾箱5通过第二隔热板16固定在工作面附近的隧道岩壁上，沸腾箱5下部设有沸腾箱进水口3，沸腾箱进水口3通过相关管路及导水管连接头4连接相邻的导水导气装置的导水管2出水口，沸腾箱5的上部设有沸腾箱出气口6，沸腾箱出气口6通过相关管路及导气管连接头8连接相邻的导水导气装置的导气管7的进气口；

所述气体排热装置包括抽气泵9、排热管10、散热箱12，抽气泵9的进气端连接相邻导水导气装置的导气管7出气口，抽气泵9的出气端通过排热管10连接排热管接口11，排热管接口11连接散热箱12；所述散热箱12固定在远离隧道工作面的地面上，抽气泵9固定在导气管2末端的隧道岩壁上。

所述储水沸腾装置中沸腾箱5上安装有压力表，可随时观测沸腾箱内部压强大小。

所述导水管与导水管利用导水管连接头连接，导气管与导气管利用导气管连接头连接。

所述导水导气装置中导水管直径应小于导气管直径。

所述导水导气装置中第一隔热板设置为固定尺寸，多组相同导水导气装置的第一隔热板插接在一起，相应管道之间利用接头连接。

隧道在施工时，由一个施工段逐渐向前推进，完成整个隧道的施工过程。本发明的高地温地质隧道降温系统一般设置在隧道内部靠近工作面的一段范围内，其中靠近工作面一段设置一组储水沸腾装置，再沿远离工作面方向连续连接多组导水导气装置，最后连接一组气体排热装置。一般导水导气装置的数量设置为5～6个，当该施工段施工完成后，整体向前移动降温系统安装至下一个工作面，进行下个施工段的施工。

本发明包含两种降温方式：一是注入冷水在导水管中流通降温的部分涉及传统冷水传导吸热降温的问题；二是水低压沸腾吸热降温涉及改变环境气压以降低水的沸点，导致水快速沸腾，利用水的相变过程吸收大量的热。两种吸热过程相结合，可保证高地温隧道内部快速降温，并降低到目标温度值时保持温度恒定。

本发明降温系统的工作原理是：将冷水从远离工作面的导水导气装置的注水口1注入，利用冷水在导水管2内流通，使其在流动过程中吸收热量，并流向储水沸腾装置中的沸腾箱5；利用气体排热装置中抽气泵9抽取沸腾箱5内部空气，使得沸腾箱5内气压降低，导致沸腾箱5内水的沸点降低；水从导水管2流向沸腾箱5时液面蒸发面积迅速增大，加之气压降低，导致水开始沸腾，吸收大量的热；散热箱12中放置冰块，用于集中处理导气管7中通过抽气泵9抽出的热空气和水蒸气。

其中，能量转换机理是：

根据理想气体状态方程式：

PV＝nRT (1)

其中，P代表状态参量压强，V代表气体体积，n代表物质的量，T代表绝对温度，R为气体常数约等于8.314Pa·m³/mol·K。结合水的汽化潜热表计算出不同气压下，所对应的不同水的沸点时，该气压与相应温度下1m3水蒸气的摩尔质量，从而计算出水蒸气的质量，最后得出该状态下水蒸发为1m3水蒸气所要吸收的热量，总结成表1。

表1沸腾箱中不同温度压力下水蒸发为1m3水蒸气所要吸收的热量关系

根据表1中第二列数据温度t与最后一列数据水蒸发为1m3水蒸气所要吸收的热量之间的对应关系进行函数拟合，拟合曲线如图4所示，其中，横坐标为温度t，单位为℃；纵坐标为热量k，单位为kJ。拟合成公式为：

k＝0.2179t²-10.475t+162.16 (2)

从而，获得水从初始环境温度t1到达水沸腾吸收热量后的环境温度t2时的沸腾吸收能量公式为式(3)：

其中，t₁为初始环境温度，t₂为水沸腾吸收热量后的环境温度，K为环境温度从t₁下降到t₂时吸收的热量，单位为kJ。

在理想情况下，根据比热容公式：

q＝Cm_空气Δt＝CρvΔt

Δt＝t₁-t₂

其中，q为热量，单位为J，C为比热容，单位为J/kg，ρ为空气的密度，单位为kg/m³，v为空气的体积。

另q＝K，从而得到蒸发1m³水蒸气使得环境温度从t₁下降到t₂时，所能影响的空气的体积为：

根据实际所需降温环境的空气体积V_总可计算出：

进一步，可计算出将规定环境体积内的空气温度由t₁下降到t₂时需要总吸热量为：

Q＝a·K (6)

由此可得，将体积为V_总m3的空气的温度从t₁下降到t₂时，需要蒸发a m³水蒸气的水蒸气，总吸热量为QkJ。

利用本申请降温系统进行降温的应用过程是：

记录当前的初始环境温度t₁，并设定一个目标温度作为水沸腾吸收热量后的环境温度t₂，根据式(6)计算出此时间段沸腾所吸收能量，即为体积为V_总m3的空气的温度从t₁下降到t₂时需要的总吸热量为QkJ；

同时查表1中第二列的沸腾温度，找到与目标温度t₂对应的目标压强，进而确定储水沸腾装置内部所需要达到的压强；

根据压力表显示的沸腾箱内部压力值调整抽气泵的输出功率，当压强未达到目标温度所对应的压强时，可加大功率，当压强已达到目标温度所对应的压强时，可稳定抽气泵输出功率以保持当前沸腾箱内部压强值，从而使得环境温度稳定在目标温度值；

最后，根据总吸热量Q以及从初始环境温度t₁下降到目标温度t₂所需时间，设定抽气泵的对应额定功率。关于抽气泵的工作功率选择、设置方面为本领域常规技术手段。

实施例1

本实施例隧道降温系统，包括导水导气装置、储水沸腾装置、气体排热装置；所述导水导气装置包括注水口1、导水管2、导气管7、第一隔热板14；所述储水沸腾装置包括沸腾箱5、第二隔热板16；所述气体排热装置包括抽气泵9、排热管10、散热箱12。

所述导水导气装置中，注水口1连接导水管2进水口，导气管7沿隧道长度方向布设；所述储水沸腾装置中，沸腾箱进水口3与相邻的导水导气装置中的导水管2出水口利用相关管路及导水管连接头4相连，沸腾箱5下端与沸腾箱进水口3相连，沸腾箱5上端与沸腾箱出气口6相连，沸腾箱出气口6与相邻的导水导气装置中的导气管7进气口利用相关管路及导气管连接头8相连；所述气体排热装置中，抽气泵9进气端与相邻导水导气装置中的导气管7出气口利用相关管路及导气管连接头8相连接，抽气泵9出气端与排热管接口11利用排热管10联通；所述排热管接口11与散热箱12相连。

导水管2利用导水管固定卡13呈蛇形固定在第一隔热板14上，沸腾箱5固定在第二隔热板16上，导气管7位于导水管2上方，利用导气管固定卡15固定在第二隔热板16上，抽气泵9固定在隧道岩壁上，散热箱12放置在地面上，第一隔热板14、第二隔热板16固定在隧道岩壁上。

导水管2直径应小于导气管7直径。导水管与导气管采用相同材质但直径不同的管道，导水管直径适中可以增多导水管沿s型排列铺设长度，从而增大冷水管与空气接触面积；导气管略大于导水管直径可增大气体流通量，有助于将水蒸气和热空气快速排出。

所述导水导气装置中第一隔热板14设置为固定尺寸，整个系统可连续连接多组相同导水导气装置，多组是指多个完全相同的导水导气装置相连接，每一组导水导气装置都有单独的第一隔热板14，每一组导水导气装置连接时利用第一隔热板14之间相互连接，一组导水导气中导水管2、导气管7与另一组导水导气装置中导水管2、导气管7之间分别利用相应的导水管连接头4和导气管连接头8相连接。

本实施例中，所述储水沸腾装置中沸腾箱5上安装有压力表，用于监测沸腾箱内的压强。

本实施例中，所述高地温隧道一般指针对高海拔地区，地温过高的隧道，一般直径小于10米，环境温度低于60℃，即t₁≤60℃。

本实施例中，所述导水导气装置中导水管2和导气管7的管道材料应为涂有吸热材料且导热性良好的不锈钢管、不锈钢180°弯管以及连接头连接而成，导水管直径20-30mm，导气管直径大于导水管直径10-15mm；相关管路的材质选择与导水管和导气管用相同材质构成。

本实施例中，多个导水导气装置中导水管2、导气管7的管道连接均利用螺纹连接，并利用U形导水管固定卡13、导气管固定卡15和螺丝固定在第一隔热板14上。

本实施例中，所述导水导气装置中导水管2布设方式为蛇形布设，水从下端注水口注入后顺着管道从岩壁下方流向上方后再流向下方反复流动，最终流向沸腾箱5。

本实施例中，所述第一隔热板14和第二隔热板16可以选用采用有机纤维类隔热材料制成的隔热板。其中，用于固定导水管2和导气管7的第一隔热板14尺寸：宽1.5米，高1.5米；用于固定沸腾箱5的第二隔热板16尺寸：宽0.6米，高1.5米。隔热板也可以做成曲面形状，与隧道岩壁贴合。

本实施例中，所述沸腾箱5是尺寸为长0.5米，宽0.5米，高1.0米的不锈钢立方体箱。

本实施例中，所述排热管接口11口径逐渐增大(口径由排热管向散热箱逐渐增大，可以增大导出的气体与散热箱内冰块的接触面积并重新凝结，从而快速排热)。

本实施例中，所述高地温地质隧道降温系统沿隧道走向设置，靠近工作面处设置一组储水沸腾装置，沿远离工作面方向连续连接5-6个导水导气装置，最后连接一组气体排热装置。其中，距离工作面最远的一组导水导气装置导水管2安装注水口1，导气管7连接气体排热装置；距离工作面最近的一组导水导气装置导水管2、导气管7连接储水沸腾装置；利用导水管连接头4、导气管连接头8分别连接相应的导水管2、导气管7，整体形成一组隧道降温系统。

本实施例中，所述高地温地质隧道降温系统设置在隧道内部靠近工作面10m左右的范围内，其中靠近隧道施工工作面(工作面是指隧道挖掘施工的岩石面，也就是掌子面，图4有标注，安装在图4表示的隧道内部靠近施工工作面一端的岩壁上)一端设置一组储水沸腾装置，再向远离工作面方向连续连接多组导水导气装置，最后连接一组气体排热装置。

本实施例中，根据选取的目标温度在上述表格第一列中选取目标气压，作为储水沸腾装置的控制压强。根据压力表显示的沸腾箱内部压力值调整抽气泵的输出功率，当压强未达到目标温度所对应的压强时，可加大功率，当压强已达到目标温度所对应的压强时，可稳定抽气泵输出功率以保持当前沸腾箱内部压强值，从而使得环境温度稳定在目标温度值。

本实施例中，根据隧道内部实际环境温度在上述表格第二列中选取相应温度值作为温度初始值t₁，选取需要下降至的目标温度作为t₂；带入公式(6)计算出降低V_总m³空气温度所需要吸收的热量Q，即为系统的总吸热量；利用总吸热量以及环境温度发生变化时间判断抽气泵的功率。

本实施例中，设置于隧道位置及方式如图3、图4所示，在隧道的左右岩壁上对称布置两组隧道降温系统。

以上对本发明的合理实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不局限于所述实施例，任何熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出同等替换或改变，都应包含在本发明的保护范围内。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种高地温地质隧道降温系统，其特征在于：包括储水沸腾装置、气体排热装置及多个导水导气装置，多个导水导气装置的进出口依次串联，远离工作面的导水导气装置的出气口连接气体排热装置的入口，靠近工作面的导水导气装置的出水口和进气口连接储水沸腾装置的进水口和出气口，储水沸腾装置靠近工作面附近的岩壁安装，多个导水导气装置沿隧道长度方向依次布置；

所述导水导气装置包括注水口、导水管、导气管、第一隔热板；导水管固定在第一隔热板上，导水管的进水口连接注水口，在导水管的上方的第一隔热板上通过导气管固定卡固定有导气管，导气管沿隧道长度方向布置；所述第一隔热板固定在隧道的岩壁上；

所述储水沸腾装置包括沸腾箱、第二隔热板；所述沸腾箱通过第二隔热板固定在工作面附近的隧道岩壁上，沸腾箱下部设有沸腾箱进水口，沸腾箱进水口通过相关管路及导水管连接头连接相邻的导水导气装置的导水管出水口，沸腾箱的上部设有沸腾箱出气口，沸腾箱出气口通过相关管路及导气管连接头连接相邻的导水导气装置的导气管的进气口；

所述气体排热装置包括抽气泵、排热管、散热箱，抽气泵的进气端连接相邻导水导气装置的导气管出气口，抽气泵的出气端通过排热管连接排热管接口，排热管接口连接散热箱；所述散热箱放置在隧道的地面上，抽气泵固定在导气管末端的隧道岩壁上。

2.根据权利要求1所述的隧道降温系统，其特征在于：所述导水导气装置中的导水管直径小于导气管直径。

3.根据权利要求1所述的隧道降温系统，其特征在于：所述导水导气装置中第一隔热板设置为固定尺寸，多组相同导水导气装置的第一隔热板插接在一起，相应管道之间利用接头连接。

4.根据权利要求1所述的隧道降温系统，其特征在于：所述沸腾箱上安装有压力表。

5.根据权利要求1所述的隧道降温系统，其特征在于：散热箱中放置冰块。

6.根据权利要求1所述的隧道降温系统，其特征在于：所述系统设置在隧道内部靠近工作面10m的范围内。

7.一种权利要求1所述的隧道降温系统的应用方法，该方法的步骤是；

1)计算出任意压力及温度状态下水蒸发为1m³水蒸气所要吸收的热量，总结出温度、压力、水蒸发为1m³水蒸气所要吸收的热量之间的对应关系，并列表；

2)根据列表中的温度数据和水蒸发为1m³水蒸气所要吸收的热量数据，进行函数拟合，得到1m³水蒸气所要吸收的热量与温度数据的关系式，对于该关系式在初始环境温度t1和目标环境温度t2之间进行积分，得到式(3)，

其中，K为蒸发1m³水蒸气环境温度从t₁下降到t₂时吸收的热量；

3)再计算蒸发1m³水蒸气使得环境温度从t₁下降到t₂时，所能影响隧道内局部空气体积；结合隧道施工空间总体积、步骤2)计算的K值以及从初始环境温度t₁下降到目标温度t₂所需时间，设定抽气泵的对应额定功率；

同时查步骤1)的列表找到目标环境温度t所对应的目标压强，进而确定储水沸腾装置内部所需要达到的目标气压；

将冷水从远离工作面的导水导气装置的注水口注入，使冷水在导水管内流通，并在其流动过程中吸收热量，最终流向储水沸腾装置中的沸腾箱；利用气体排热装置中抽气泵抽取沸腾箱内部空气，使得沸腾箱内气压降低，导致沸腾箱内水的沸点降低；水从导水管流向沸腾箱时液面蒸发面积迅速增大，加之气压降低，导致水开始沸腾，吸收大量的热。