CN113958358A - 一种不用电能的节能型隧道通风系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不用电能的节能型隧道通风系统，包括：风能引风装置、半球形排风集热棚、热流烟囱；半球形排风集热棚设置在隧道外靠近隧道较高一端洞口的侧部，具有抛物线形断面的集热装置设置在隧道较低一端洞口外；具有抛物线形断面的集热装置设置通过风能离心式鼓风机与隧道内供风管道连接；半球形排风集热棚与隧道内集风管连通，半球形排风集热棚的顶部设置热流烟囱；半球形排风集热棚内设置多个风能引风装置，节能引风装置的进风口设置在集热棚顶部，出风口与热流烟囱连通。本发明技术方案相对于现有技术而言，利用空气热力学原理，利用太阳能和自然风能作为驱动力，不用电能，具有环保、节能的优点。不受地域和供电环境影响，应用范围广。

Description

一种不用电能的节能型隧道通风系统
技术领域
本发明涉及隧道通风换气装备领域，具体涉及一种不用电能的节能型隧道通风系统。
背景技术
山区公路隧道、高铁隧道需要经常保持隧道内空气流通，然而，山区条件恶劣，电力输送有很大困难，山区隧道通风排风如果能借助风能、太阳能、地热能、车辆行驶动能和汽车排放热能，则能很好的解决山区电力输送的问题。然而现有一些技术中通常采用太阳能或风力发电机，先将太阳能或风能转换为电能，再由电能驱动轴流抽风机的电机转动，能量经多次转换，转换效率低下，往往投入成本较大。
因此，如何解决山区隧道通风供、排风问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术难题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明的主要目的是提供一种不用电能、节能型隧道通风系统，根据空气热动力学原理，无需外接电力，利用太阳能、风能、地热能、车辆行驶动能和汽车排放热能，可使隧道内废气实时排出。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
一种不用电能的节能型隧道通风系统，包括：半球形排风集热棚、风能引风装置、热流烟囱；所述半球形排风集热棚设置在所述隧道外靠近隧道较高一端洞口的侧部，所述半球形排风集热棚与隧道通过连接管连通，所述半球形排风集热棚的顶部设置所述热流烟囱；所述半球形排风集热棚内设置多个所述风能引风装置，每个所述风能引风装置的进风口通过管道设置在半球形排风集热棚顶部，出风口通过热风管与热流烟囱连通。
进一步的，所述半球形排风集热棚的棚顶为透光、吸热材料制成，棚底并铺设储热材料。
进一步的，还包括集气管，所述集气管沿隧道布设在隧道侧顶壁，所述集气管上间隔设置多个进风孔，所述集气管的出风口与所述连接管连通。
进一步的，所述热风管与热流烟囱的夹角为A，其中55°≤A≤85°。
进一步的，热流烟囱的顶部设置有自然风负压分流盘，所述自然风负压分流盘的下表面为下凸的球冠形。
所述风能引风装置包含机架，所述机架上设置有风轮机和引风机；
所述风轮机包含竖向设置在机架上的风轮轴，所述风轮轴的上端周向均匀设置有风轮叶，所述风轮轴的下端连接有主动皮带轮；
所述引风机包含筒壳、与筒壳共中轴线的风扇轴，所述风扇轴上周向均匀设置有风扇叶，所述风扇轴的下端设置有从动皮带轮；
所述主动皮带轮与从动皮带轮通过皮带连接。
进一步的，所述隧道较低一端洞口外还设置有抛物线形断面的集热装置和风能离心式鼓风机，所述具有抛物线形断面的集热装置的出风口连接风能离心式鼓风机的进风口，所述风能离心式鼓风机的出风口伸入所述隧道内；所述具有抛物线形断面的集热装置包含包括集热槽和风管；所述集热槽的横断面与集热槽的内表面的交线为抛物线，任意两个横断面与集热槽内表面形成的两根抛物线的两个焦点确定一条焦点线；所述风管的中心线与所述焦点线共线；所述集热槽及风管面向太阳方向设置；所述集热槽的内表面设置有反光层。
进一步的，所述风能引风装置还包括防飞车制动装置，所述防飞车制动装置用于限制所述风轮机的转速。
进一步的，所述防飞车制动装置包含包括筒状机壳，所述筒状机壳的一端设置有与筒状机壳一体成型的连体端盖，另一端设置有可拆卸端盖，所述筒状机壳内壁设置有定子组件，所述定子组件内设置有可转动的转子组件；
所述定子组件包含定子铁芯，所述定子铁芯上从外向内依次叠置有励磁绕组和发电绕组；
所述转子组件包含转子轴，所述转子轴上设置有转子铁芯，所述转子轴的两端伸出所述连体端盖和可拆卸端盖；所述转子轴伸出可拆卸端盖的一端连接有防飞车皮带轮；所述主动皮带轮与防飞车皮带轮通过皮带连接；
还包括励磁电源和励磁继电器，所述励磁绕组、励磁继电器的常开触点和励磁电源串联形成闭合回路；
还包括蓄电池、发电继电器和整流器，所述发电绕组、发电继电器、整流器与蓄电池串联形成闭合回路；
还包括控制器和编码器，所述编码器的信号输出端与控制器的信号输入端电连接，所述编码器用于检测转子轴的转速；
所述控制器的信号输出端与所述继电器的控制端电连接。
进一步的，所述转子铁芯的横截面呈“工”字型，所述转子铁芯上缠绕有转子绕组，转子绕组的两根引出线之间通过二极管连接。
本发明技术方案相对于现有技术的而言，利用空气热力学原理，具有抛物线形断面的集热装置通过风能离心式鼓风机向隧道内供风管内供应新鲜加热空气，新鲜加热空气稀释隧道内废气形成废气热流进入隧道壁上集气管，集气管内热废空气向高处流动进入半球形排风集热棚，半球形排风集热棚对废热空气进一步加热，半球形排风集热棚内受热空气由于密度下降而上升进入热流烟囱进风口；一方面由于烟囱效应作用，热流烟囱内产生负压使废气连续上排；另一方面风能引风装置内对废热空气加速，加速后的高速废热空气汇入热流烟囱，进一步对热流烟囱内废热空气提速。本装置在隧道外利用太阳能和自然风能作为驱动力，不用电能，不需架设供电线路和设施，保护青山绿水，具有环保、节能，减少发电碳排放的优点。本装置在隧道内利用地热能、车辆行驶动能、汽车排放热能作为驱动力，使隧道内废气实时排出、不用排风设备，具有减少运维费用。保障运维人员安全的优势。不受地域和供电环境影响，应用范围广。另外，防飞车刹车装置可有效防止风力过大导致风轮机转速过高飞车，使整个装置可稳定安全运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明不用电能的节能型隧道通风系统的原理示意图；
图2为本发明不用电能的节能型隧道通风系统的立体原理示意图；
图3为发明不用电能的节能型隧道通风系统的原理断面图；
图4为风能引风装置一种实施例的立体示意图；
图5为具有抛物线形断面的集热装置的立体示意图；
图6具有抛物线形断面的集热装置的横断面示意图；
图7为防飞车制动装置立体示意图；
图8为防飞车制动装置分解示意图；
图9为防飞车制动装置筒状机壳及其定子绕组的示意图；
图10为防飞车制动装置电路原理图。
在以上图中：
1半球形排风集热棚；
2风能引风装置；201机架；202风轮轴；203风轮叶；204主动皮带轮；205从动皮带轮；
3热流烟囱；4隧道；5连接管；6热风管；7集气管；701进风孔；8自然风负压分流盘；
9防飞车制动装置；901筒状机壳；902可拆卸端盖；903定子铁芯；
904励磁绕组；905发电绕组；906转子轴；907转子铁芯；908转子绕组；10防飞车皮带轮；11蓄电池；12发电继电器；13整流器；14励磁继电器；15集热槽；16风管；17风能离心式鼓风机。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
山区公路隧道、高铁隧道需要经常保持隧道内空气流通，然而，山区条件恶劣，电力输送有很大困难，山区隧道通风排风如果能借助风能、太阳能、地热能、车辆行驶动能则能很好的解决山区电力输送的问题。
长隧道或特长隧道一般设有隧道纵坡，长隧道或特长隧道内部空气具有流动差。
请参考图1、图2和图3，本实施例提供一种不用电能的节能型隧道通风系统，包括：半球形排风集热棚1、风能引风装置2、热流烟囱3；所述半球形排风集热棚1设置在所述隧道4外靠近隧道4较高一端洞口的侧部，所述半球形排风集热棚1与隧道4通过连接管5连通，所述半球形排风集热棚1的顶部设置所述热流烟囱3；所述半球形排风集热棚1内设置多个所述风能引风装置2，每个所述风能引风装置2的进风口通过管道设置在半球形排风集热棚顶部，出风口通过热风管6与热流烟囱3连通。所述半球形排风集热棚1的棚顶为透光、吸热材料制成，棚底并铺设储热材料。
进一步的，还包括集气管7，所述集气管7沿隧道4布设在隧道4顶壁，所述集气管7上间隔设置多个进风孔701，所述集气管7的出风口与所述连接管5连通。
为了防止空气从隧道4入口抄近路从隧道4外进入热流烟囱3，在隧道4内顶壁上设置集气管7，集气管7上间隔设置多个进风孔701，既能进风又能利用车辆动能，集气管7靠近隧道4口的一端封闭，可使隧道4内不同进深处的废气均能被吸走。
进一步的，所述热风管6与热流烟囱3的夹角为A，其中55°≤A≤85°。
本实施例中，为了使热风管6内的热废气能够对热流烟囱3内冷空气进行加速，热风管6斜向上与热流烟囱3连接。
进一步的，热流烟囱3的顶部设置有自然风负压分流盘8，所述自然风负压分流盘8的下表面为下凸的球冠形。自然风负压分流盘8的设置，一方面可防止雨水进入热流烟囱3，避免因雨水沿热风管6进入节能型引风装置内部而造成的设备损毁，另一方面，自然风负压分流盘8的下表面为下凸的球冠形，在自然风作用下可使热流烟囱3出风口的空气加速。在烟囱3出风口形成负压，带动烟囱内热废气加速排出。
进一步的，请参考图4，所述风能引风装置2包含机架201，所述机架201上设置有风轮机和引风机；所述风轮机包含竖向设置在机架201上的风轮轴202，所述风轮轴202的上端周向均匀设置有风轮叶203，所述风轮轴202的下端连接有主动皮带轮204；所述引风机包含筒壳、与筒壳共中轴线的风扇轴，所述风扇轴上周向均匀设置有风扇叶，所述风扇轴的下端设置有从动皮带轮205；所述主动皮带轮204与从动皮带轮205通过皮带连接。实际中，风轮机可以选择垂直轴风轮机中的达里厄风轮机，因为它是垂直轴风轮机中风能利用系数最高的风轮机。
进一步的，所述风能引风装置2还包括增速器，所述增速器包含输入轴和输出轴，所述输入轴与所述风轮轴202连接，所述输出轴上连接所述从动皮带轮205。
进一步的，隧道较低一端洞口外还设置有具有抛物线形断面的集热装置和风能离心式鼓风机17。风能离心式鼓风机是将叶轮的转轴连接风轮机的风轮轴，当风轮轴转动，叶轮随着转动。叶轮在旋转时产生离心力将空气从叶轮中甩出，空气从叶轮中甩出后汇集在机壳中，就形成了负压，进风口外面的空气在大气压作用下又被压入叶轮中。因此，叶轮不断旋转，推动空气不断流动。此处，风轮机可以选择垂直轴风轮机中的达里厄风轮机，因为它是垂直轴风轮机中风能利用系数最高的风轮机。
参考图5和图6，所述具有抛物线形断面的集热装置的出风口连接风能离心式鼓风机17的进风口，所述风能离心式鼓风机17的出风口伸入所述隧道4内；所述具有抛物线形断面的集热装置包含包括集热槽15和风管16；所述集热槽15的横断面与集热槽16的内表面的交线为抛物线，任意两个横断面与集热槽15内表面形成的两根抛物线的两个焦点确定一条焦点线；所述风管16的中心线与所述焦点线共线；所述集热槽及风管面向太阳设置；所述集热槽1的内表面设置有反光层。反光层可以是设置在集热槽内表面的反光膜或锡纸，也可以在集热槽内表面喷涂反光漆。向风管16内通风，太阳照射在集热槽15上，经集热槽15内表面反射至风管16外表面，对风管16加热，风管16对内部的风进行加热。优选的，风管16为耐热、蓄热材料。为了加速空气在风管16内流动，所述风管的进风口处设置有抽风机，抽风机的进风管设置在风管16外，抽风机的出风口伸入风管进风口内。
以上实施例中，不用电能的节能型隧道通风系统的工作原理为：
半球形排风集热棚1的顶部设置热流烟囱3，热流烟囱的下端为进气口，半球形排风集热棚1的棚顶为透光、吸热材料制成，棚底并铺设储热材料。太阳辐射对半球形排风集热棚1内的废气加热。第一方面，山顶大气密度小，温度低，压强低，热流烟囱3内自然产生负压，将半球形排风集热棚1内的空气通过热流烟囱3向外排，同时促进了隧道4内空气加速流动；第二方面，半球形排风集热棚1内的风能引风装置2依靠自然风力将半球形排风集热棚1内的已加热废气通过热风管6向热流烟囱3内推进，进一步加速热流烟囱3内的废气向外排；第三方面，一部分空气从热流烟囱3的下端进入热流烟囱3，由于连接风能引风装置2出气口的热风管6斜向上与热流烟囱3连通，热风管6内的已加热废气与从热流烟囱3下端进入的冷空气混合，进一步加速热流烟囱3内的混合空气向上运动；第四方面，通过设置在隧道4较低一端洞口的具有抛物线形断面的集热装置、风能离心式鼓风机17和设置在隧道4内的供风管向隧道内提供新鲜热空气，既可稀释隧道4内废气，又加速废气向隧道4高端流动，进入集气管7，加速集气管7内废气向半球形排风集热棚1流动。通过以上四方面共同促进隧道4内空气通过热流烟囱3向外排出，加速隧道4内的通风效果
进一步的，还包括防飞车制动装置9，所述防飞车制动装置9用于限制所述风轮机的转速。
进一步的，请参考图7、图8、图9和图10，所述防飞车制动装置9包含包括筒状机壳901，所述筒状机壳901的一端设置有与筒状机壳901一体成型的连体端盖，另一端设置有可拆卸端盖902，所述筒状机壳901内壁设置有定子组件，所述定子组件内设置有可转动的转子组件；所述定子组件包含定子铁芯903，所述定子铁芯903上从外向内依次叠置有励磁绕组904和发电绕组905；所述转子组件包含转子轴906，所述转子轴906上设置有转子铁芯907，所述转子轴906的两端伸出所述连体端盖和可拆卸端盖902；所述转子轴906伸出可拆卸端盖902的一端连接有防飞车皮带轮10；所述主动皮带轮204与防飞车皮带轮10通过皮带连接；还包括励磁电源和励磁继电器14，所述励磁绕组904、励磁继电器14的常开触点和励磁电源串联形成闭合回路；还包括蓄电池11、发电继电器12和整流器13，所述发电绕组905、发电继电器12、整流器13与蓄电池11串联形成闭合回路；还包括控制器和编码器，所述编码器的信号输出端与控制器的信号输入端电连接，所述编码器用于检测转子轴906的转速；所述控制器的信号输出端与所述继电器的控制端电连接。
防飞车制动装置9的工作原理：
第一步，外力驱动转子轴906旋转，同时，编码器获取转子轴906的转速信号发送给控制器；
第二步，控制器根据转速信号控制发电继电器12和励磁继电器14通断，具体为：
当转子轴906转速小于设定转速时，发电继电器12和励磁继电器14处于开路状态，转子轴906空转；
当转子轴906转速大于设定转速时，控制器控制发电继电器12处于闭路状态，由于转子铁芯907具有剩磁，发电绕组905发电，并将发出的交流电通过整流器13变成直流电给蓄电池11充电；
同时控制器控制励磁继电器14处于闭路状态，接通励磁绕组904，产生磁场。
以上过程中，当转子轴906转速低于设定转速时，防飞车制动装置9空转，没有能量转化过程；当转子轴906转速高于设定转速时，转子轴906的旋转机械能转化为电能，转子轴906受到与旋转方向相反的力，使转子轴906的转速降低；当转速低于设定转速时，控制器再次控制发电继电器12和励磁继电器14处于开路状态，防飞车制动装置9空转......如此，可确保转子轴906的转速处于设定转速下。
进一步的，所述转子铁芯907的横截面呈“工”字型，所述转子铁芯907上缠绕有转子绕组908，转子绕组908的两根引出线之间通过二极管连接。
以上实施例中，在转子铁芯907上设置转子绕组908，可以对转子铁芯907进行充磁。
本发明技术方案相对于现有技术的而言，利用空气热力学原理，具有抛物线形断面的集热装置通过风能离心式鼓风机向隧道内供风管内供应新鲜加热空气，新鲜加热空气稀释隧道内废气形成废气热流进入隧道壁上集气管，集气管内热废空气向高处流动进入半球形排风集热棚，半球形排风集热棚对废热空气进一步加热，半球形排风集热棚内受热空气由于密度下降而上升进入热流烟囱进风口；一方面由于烟囱效应作用，热流烟囱内产生负压使废气连续上排；另一方面风能引风装置内对废热空气加速，加速后的高速废热空气汇入热流烟囱，进一步对热流烟囱内废热空气提速。本装置在隧道外利用太阳能和自然风能作为驱动力，不用电能，不需架设供电线路和设施，保护青山绿水，具有环保、节能，减少发电碳排放的优点。本装置在隧道内利用地热能、车辆行驶动能、汽车排放热能作为驱动力，使隧道内废气实时排出、不用排风设备，具有减少运维费用。保障运维人员安全的优势。不受地域和供电环境影响，应用范围广。另外，防飞车刹车装置可有效防止风力过大导致风轮机转速过高飞车，使整个装置可稳定安全运行。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员是显而易见的。因此，在不偏离本发明的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，包括：半球形排风集热棚(1)、风能引风装置(2)、热流烟囱(3)；所述半球形排风集热棚(1)设置在所述隧道(4)外靠近隧道(4)较高一端洞口的侧部，所述半球形排风集热棚(1)与隧道(4)通过连接管(5)连通，所述半球形排风集热棚(1)的顶部设置所述热流烟囱(3)；所述半球形排风集热棚(1)内设置多个所述风能引风装置(2)，每个所述风能引风装置(2)的进风口通过管道设置在半球形排风集热棚(1)顶部，出风口通过热风管(6)与热流烟囱(3)连通。
2.根据权利要求1所述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，所述半球形排风集热棚(1)的棚顶为透光、吸热材料制成，棚底并铺设储热材料。
3.根据权利要求1所述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，还包括集气管(7)，所述集气管(7)沿隧道(4)布设在隧道(4)侧顶壁，所述集气管(7)上间隔设置多个进风孔(701)，所述集气管(7)的出风口与所述连接管(5)连通。
4.根据权利要求1所述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，所述热风管(6)与热流烟囱(3)的夹角为A，其中55°≤A≤85°。
5.根据权利要求1所述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，热流烟囱(3)的顶部设置有自然风负压分流盘(8)，所述自然风负压分流盘(8)的下表面为下凸的球冠形。
6.根据权利要求1述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，所述风能引风装置(2)包含机架(201)，所述机架(201)上设置有风轮机和引风机；
所述风轮机包含竖向设置在机架(201)上的风轮轴(202)，所述风轮轴(202)的上端周向均匀设置有风轮叶(203)，所述风轮轴(202)的下端连接有主动皮带轮(204)；
所述引风机包含筒壳、与筒壳共中轴线的风扇轴，所述风扇轴上周向均匀设置有风扇叶，所述风扇轴的下端设置有从动皮带轮(205)；
所述主动皮带轮(204)与从动皮带轮(205)通过皮带连接。
7.根据权利要求1所述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，所述隧道较低一端洞口外还设置有具有抛物线形断面的集热装置和风能离心式鼓风机(17)；所述具有抛物线形断面的集热装置的出风口连接风能离心式鼓风机(17)的进风口，所述风能离心式鼓风机(17)的出风口伸入所述隧道(4)内；所述具有抛物线形断面的集热装置包含包括集热槽(15)和风管(16)；所述集热槽(15)的横断面与集热槽(15)的内表面的交线为抛物线，任意两个横断面与集热槽(15)内表面形成的两根抛物线的两个焦点确定一条焦点线；所述风管(16)的中心线与所述焦点线共线；所述集热槽及风管面向太阳设置；所述集热槽(1)的内表面设置有反光层。
8.根据权利要求6所述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，所述风能引风装置(2)还包括防飞车制动装置(9)，所述防飞车制动装置(9)用于限制所述风轮机的转速。
9.根据权利要求8所述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，所述防飞车制动装置(9)包含包括筒状机壳(901)，所述筒状机壳(901)的一端设置有与筒状机壳(901)一体成型的连体端盖，另一端设置有可拆卸端盖(902)，所述筒状机壳(901)内壁设置有定子组件，所述定子组件内设置有可转动的转子组件；
所述定子组件包含定子铁芯(903)，所述定子铁芯(903)上从外向内依次叠置有励磁绕组(904)和发电绕组(905)；
所述转子组件包含转子轴(906)，所述转子轴(906)上设置有转子铁芯(907)，所述转子轴(906)的两端伸出所述连体端盖和可拆卸端盖(902)；所述转子轴(906)伸出可拆卸端盖(902)的一端连接有防飞车皮带轮(10)；所述主动皮带轮(204)与防飞车皮带轮(10)通过皮带连接；
还包括励磁电源和励磁继电器(14)，所述励磁绕组(904)、励磁继电器(14)的常开触点和励磁电源串联形成闭合回路；
还包括蓄电池(11)、发电继电器(12)和整流器(13)，所述发电绕组(905)、发电继电器(12)、整流器(13)与蓄电池(11)串联形成闭合回路；
还包括控制器和编码器，所述编码器的信号输出端与控制器的信号输入端电连接，所述编码器用于检测转子轴(906)的转速；
所述控制器的信号输出端与所述继电器的控制端电连接。
10.根据权利要求9所述的不用电能的节能型隧道通风系统，其特征在于，所述转子铁芯(907)的横截面呈“工”字型，所述转子铁芯(907)上缠绕有转子绕组(908)，转子绕组(908)的两根引出线之间通过二极管连接。
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