CN114382536A - 一种用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，包括若干组风力发电装置、智能主动供热装置以及排水装置；所述的风力发电装置包括风力发电装置保护外壳、中心轴、以及在中心轴上从开口处依次向保护外壳底部设置的扇叶、齿轮箱、发电机和蓄电池；所述智能主动供热装置包括电伴热带、温度传感器以及配电控制箱；所述排水装置包括中心排水沟、横向排水管、纵向排水管和环向排水管。本发明通过对寒区高速公路隧道交通风产生的风能进行回收，并供与电伴热带主动加热；此外，通过温度传感器的温度检测结果智能控制电伴热带的开关，保证隧道运营成本的同时达到防止寒区隧道冻害现象发生的目的。

Description

一种用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统
技术领域
本发明涉及寒区交通隧道防冻害技术领域，具体涉及一种用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统。
背景技术
寒区隧道在运营过程中冻害现象频发。寒区隧道在低温和渗流共同作用而产生冻胀力，过大的冻胀力将引发衬砌开裂、衬砌混凝土剥落、挂冰泛水等现象，严重影响隧道结构的安全和使用寿命。水这一对象在寒区隧道冻害问题中扮演着关键角色。因此，隧道内的水需要及时排出从而避免冻害的发生。
现阶段对于隧道中水的处理有较为成熟的体系。主要通过纵向排水管、环向排水管、横向排水管等，并配合深埋中心排水沟进行排水。大多时候仅靠排水系统不能解决冻害问题，往往需要结合主动加热的方式进行供热，例如通过温度传感器来监测排水管温度以智能控制电伴热进行加热。然而对于电伴热供热需要消耗大量电能，增加了隧道运营成本。此外，注意到高速公路隧道中交通量大、车辆行驶速度快。若能合理利用其隧道运行中自身产生的风能，就能解决使用电伴热供热所带来的运营成本增加这一问题。为此，我们提出一种用于寒区高速公路隧道排水管的交通风发电供热防冻系统。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，通过设置风力发电装置及其结构和布置，将隧道内的交通风通过风力发电设备转换成用于隧道电伴热带及温度传感器等设备的电能，实现隧道内交通风的高效利用，在防治冻害现象发生的基础上还能极大地降低运营成本，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，所述防冻系统包括风力发电装置、智能主动供热装置以及排水装置；所述的风力发电装置包括风力发电装置保护外壳、中心轴、以及在中心轴上从开口处依次向保护外壳底部设置的扇叶、齿轮箱、发电机和蓄电池；所述智能主动供热装置包括电伴热带、温度传感器以及配电控制箱；所述排水装置包括中心排水沟、横向排水管、纵向排水管和环向排水管。
优选的，在寒区隧道两侧边墙的墙脚处设置有导风槽，所述的导风槽为“人”字形结构。
优选的，所述“人”字形结构导风槽的尖角处正上方设置有风力发电装置，导风槽用于将隧道车辆行驶过程中产生的风能通过“人”字形结构高效地汇集到风力发电装置中。
优选的，所述的风力发电装置保护外壳开口处的截面积大于外壳底部的截面积。
优选的，所述的扇叶的扇叶面是向内凹陷的曲面，用于增大扇叶的受力面积，加速扇叶的转动。
优选的，所述风力发电装置中的蓄电池与智能主动供热装置中的配件控制箱相连，将风力发电装置产生的电能通过配电控制箱进行调用。
优选的，所述的温度传感器与电伴热带分别位于纵向排水管的顶部与底部，并与配电控制箱中内置的智能控制单元相连；所述的电伴热带在隧道两侧纵向排水沟全长设置，所述的温度传感器仅在隧道进出口50-150m内的排水管中随着隧道深度的增加以先密后疏的方式进行设置。
优选的，所述配电控制箱中的智能控制单元通过串口服务器电缆以网络信号与隧道控制管理所进行连接，通过纵向排水管中的温度传感器对温度进行监测；当监测温度最小值低于2℃时，下达电伴热带工作指令；当监测温度最小值高于6℃，则下达电伴热带停止工作指令。
优选的，所述的纵向排水管位于隧道两侧的拱脚位置，中心排水沟通过倾斜设置的横向排水管与纵向排水管相连，环向排水管与两侧的纵向排水管相连。
优选的，所述纵向排水管、横向排水管、中心排水沟的下方设置有起承托作用的混凝土基座，在上方设置有起保温作用的珍珠岩保温层，并沿着与二衬的交界线设置有防水卷材。
本发明的有益效果是：本发明方法系统，在施工期，由于采取主动供热的措施能够在一定程度抬高中心排水的埋深，减少施工期对基底的扰动，提高施工的效率；在运营期有效利用寒区高速公路隧道中车辆行驶过程中产生的风能，通过风力发电装置进行风能回收利用，为电伴热带供电提供电能；通过智能主动供热装置为隧道排水装置进行供热，在最大程度地控制运营成本的同时防止冻害现象发生。
附图说明
图1为本发明风力发电供热防冻系统的横断面图；
图2为本发明的风力发电装置布置实施示意图；
图3为本发明的风力发电装置的立体结构示意图；
图4为本发明的风力发电装置结构剖面示意图；
图5为本发明的纵向排水管结构细部示意图；
图6为本发明风力发电供热防冻系统构成及工作流程示意图；
图中，1-风力发电装置，101-风力发电装置保护外壳，102-扇叶，103-中心轴，104-齿轮箱，105-发电机，106-蓄电池，2-导风槽，3-配电控制箱，4-中心排水沟，5-横向排水管，6-纵向排水管，601-温度传感器，602-电伴热带，7-环向排水管，8-珍珠岩保温层，9-防水卷材，10-混凝土基座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图6，本发明提供一种技术方案：一种用于寒区隧道(高速公路隧道)排水管的交通风发电供热防冻系统，所述防冻系统包括若干组风力发电装置、智能主动供热装置以及排水装置。
进一步的，风力发电装置包括风力发电装置保护外壳101，扇叶102，齿轮箱104，发电机105，蓄电池106以及连通各个风力发电装置部件的中心轴103。
进一步的，智能主动供热装置包括电伴热带602，温度传感器601以及配电控制箱3。
进一步的，排水装置包括中心排水沟4，横向排水管5，纵向排水管6，环向排水管7，防水卷材9以及周围排水管设置的珍珠岩保温层8。
如图1和图2所示，导风槽2位于寒区高速公路隧道两侧边墙墙脚处，沿隧道方向间隔的设置有若干个。对于施工期的隧道可在二衬浇筑养护完成后进一步进行施作，对于已经运营的隧道，也可在对应位置布置。将风力发电装置1布置于导风槽2尖角处正上方，通过导风槽“人”字形结构，能够将隧道运营期间车辆行驶过程中产生的风能高效地汇集到风力发电装置1中，从而带动扇叶102转动，为蓄电池106充能。
如图3和图4所示，风力发电装置保护外壳101与竖直方向呈一定夹角，以便于最大限度地增加风力发电装置1的进风量，其开口处的截面积大于外壳底部的截面积，同时由于随着截面积的减小，风速进一步的提升。由进风口至内，依次为由中心轴103连接的扇叶102，齿轮箱104，发电机105，蓄电池106。
进一步的，风力发电装置1中的扇叶102倾斜放置，且为增大扇叶102的受力面积以加速扇叶102转动，扇叶面采用具有一定向内凹陷趋势的曲面。
进一步的，风力发电装置1中的蓄电池106与智能主动供热装置中的配件控制箱3相连，依次将风力发电装置1产生的电能通过配电控制箱3进行调用。
进一步的，温度传感器601与电伴热带602分别位于纵向排水管6的顶部与底部，并与配电控制箱3中内置的智能控制单元相连。电伴热带在隧道两侧纵向排水沟全长布置。温度传感器仅在隧道进出口50-150m范围，优选为100m范围内的排水管中布置，具体为随着进洞(隧道)深度的增加以先密后疏的方式进行布置。
所述智能控制单元通过串口服务器电缆以网络信号(以太网信号)与隧道控制管理所进行交互连接。通过纵向排水管6中的温度传感器601对温度进行监测，将监测结果上传分析，比对所有温度传感器的监测数值，若实时监测温度最小值低于2℃，控制管理所下达电伴热带602工作指令；若实时监测温度最小值高于6℃，则电伴热带602停止工作。以此智能控制水温始终保持在2～6℃区间，不致发生冻结现象。
进一步的，纵向排水管6位于隧道两侧的拱脚位置，中心排水沟4通过倾斜设置的横向排水管5与纵向排水管6相连，环向排水管7与两侧的纵向排水管6相连。以此保证隧道内的水以环线排水管7，纵向排水管6，横向排水管5，中心排水沟4的路径，最终能够顺利排出。
所述纵向排水管6，横向排水管5，中心排水沟4下方设置起承托作用的混凝土基座10，在上方设置保温作用的珍珠岩保温层8，并沿着与二衬的交界线敷设防水卷材9，以防止排水过程中水通过二衬渗入到隧道内部，同时降低二衬在低温和水作用下的冻害发生的可能。
寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统在本实施例具体工作过程如下：
按照上述说明将寒区高速公路隧道排水管的交通风发电供热防冻系统设置好后，在隧道运营全年，车辆行驶过程将产生大量的风能。通过隧道两侧导风槽2的“人”字型结构将交通风汇集到正上方设置的风力发电装置1中。进一步的通过风力发电装置保护外壳101加大风力发电装置1的进风量及风速，结合扇叶102自身特殊的曲面结构形式，从而使得扇叶102快速转动。进一步的，通过齿轮箱104的作用提高转速，从而驱动发电机105工作。将隧道全年的车辆行驶产生的交通风转化为电能最终储存到蓄电池106中。
在临近冬季时，运行智能主动供热装置，并调用风力发电装置1中蓄电池106储存的电能供智能主动供热装置工作。通过纵向排水管6中的温度传感器601对温度进行监测，将监测结果以以太网信号上传分析并判别，若所有实时监测温度中的最小值低于2℃，控制管理所下达电伴热带602工作指令，为纵向排水管中的水流进行持续加热；若所有实时监测温度中的最小值高于6℃，则电伴热带602停止工作。同时珍珠岩保温层8提高电伴热带602的利用效率，降低热量损耗，保证排水管中的水始终能够保持流动状态，以环线排水管7，纵向排水管6，横向排水管5，中心排水沟4的路径，最终能够顺利排出隧道，并利用防水卷材9避免水渗入隧道内部。
因此，通过本发明的寒区高速公路隧道排水管的交通风发电供热防冻系统能够在运营期有效利用寒区高速公路隧道中车辆行驶过程中产生的风能，通过风力发电装置进行风能回收利用，为电伴热带供电提供电能；通过智能主动供热装置为隧道排水装置进行供热，在最大程度地控制运营成本的同时防止冻害现象发生。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于，所述防冻系统包括风力发电装置(1)、智能主动供热装置以及排水装置；所述的风力发电装置(1)包括风力发电装置保护外壳(101)、中心轴(103)、以及在中心轴上从开口处依次向保护外壳底部设置的扇叶(102)、齿轮箱(104)、发电机(105)和蓄电池(106)；所述智能主动供热装置包括电伴热带(602)、温度传感器(601)以及配电控制箱(3)；所述排水装置包括中心排水沟(4)、横向排水管(5)、纵向排水管(6)和环向排水管(7)。
2.根据权利要求1所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：在寒区隧道两侧边墙的墙脚处沿隧道方向间隔的设置有若干个导风槽(2)，所述的导风槽(2)为“人”字形结构。
3.根据权利要求2所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：所述“人”字形结构导风槽(2)的尖角处正上方设置有风力发电装置(1)，导风槽用于将隧道车辆行驶过程中产生的风能通过“人”字形结构高效地汇集到风力发电装置(1)中。
4.根据权利要求1所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：所述的风力发电装置保护外壳(101)开口处的截面积大于外壳底部的截面积。
5.根据权利要求1所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：所述的扇叶(102)的扇叶面是向内凹陷的曲面，用于增大扇叶的受力面积，加速扇叶的转动。
6.根据权利要求1所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：所述风力发电装置中的蓄电池(106)与智能主动供热装置中的配件控制箱(3)相连，将风力发电装置产生的电能通过配电控制箱进行调用。
7.根据权利要求1所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：所述的温度传感器(601)与电伴热带(602)分别位于纵向排水管(6)的顶部与底部，并与配电控制箱中内置的智能控制单元相连；所述的电伴热带在隧道两侧纵向排水沟全长设置，所述的温度传感器仅在隧道进出口50-150m内的排水管中随着隧道深度的增加以先密后疏的方式进行设置。
8.根据权利要求7所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：所述配电控制箱中的智能控制单元通过串口服务器电缆以网络信号与隧道控制管理所进行连接，通过纵向排水管中的温度传感器(601)对温度进行监测；当监测温度最小值低于2℃时，下达电伴热带(602)工作指令；当监测温度最小值高于6℃，则下达电伴热带(602)停止工作指令。
9.根据权利要求1所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：所述的纵向排水管(6)位于隧道两侧的拱脚位置，中心排水沟(4)通过倾斜设置的横向排水管(5)与纵向排水管(6)相连，环向排水管(7)与两侧的纵向排水管(6)相连。
10.根据权利要求1或9所述的用于寒区隧道排水管的交通风发电供热防冻系统，其特征在于：所述纵向排水管、横向排水管、中心排水沟的下方设置有起承托作用的混凝土基座(10)，在上方设置有起保温作用的珍珠岩保温层(8)，并沿着与二衬的交界线设置有防水卷材(9)。
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