ВЕНТИЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ Омск 2009 Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра мостов ВЕНТИЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ Методические указания по курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности 270201 «Мосты и транспортные тоннели» Составители: А.А. Фугенфиров, В.Е. Русанов Омск Издательство СибАДИ 2009 УДК 625.42 ББК 39.112 Рецензент Н.И. Ветошкин, директор НПКУ ПИ «Омсктранспроект» Работа одобрена научно-методическим советом специальности «Мосты и транспортные тоннели» в качестве методических указаний к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности 270201 ВЕНТИЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ: Методические указания / Сост.: А.А. Фугенфиров, В.Е. Русанов. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2009. –56 с. Методические указания составлены в соответствии с программой дисциплины «Проектирование и строительство тоннелей» и предназначены для студентов специальности 270201 «Мосты и транспортные тоннели», выполняющих дипломные и курсовые проекты по сооружению транспортных тоннелей. В них заложены основы проектирования и расчета искусственной вентиляции горных, городских и подводных автотранспортных тоннелей и тоннелей метрополитенов. Даны общие положения по вентиляции, методика расчета расхода подаваемого в тоннель воздуха по газо- и тепловыделениям, определение давления воздуха при естественном и искусственном проветривании, а также выбор необходимого вентиляционного оборудования. Приведены алгоритмы расчета естественной и искусственной вентиляций автодорожных тоннелей. Табл. 10. Ил. 16. Библиогр.: 8 назв. © Составители: А.А. Фугенфиров, В.Е. Русанов, 2009 1. ВЕНТИЛЯЦИЯ АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ 1.1. Общие положения Применение вентиляции в тоннелях обусловлено необходимостью снижения до допустимой концентрации вредных газов, устранения задымленности и запыленности воздуха, создания нормального температурного режима. По нормативам, автодорожные тоннели длиной до 150 м могут проветриваться естественным путем, тоннели длиной 150400 м должны иметь естественное проветривание при обосновании его расчетами и в случае необходимости оборудоваться искусственной вентиляцией, а тоннели длиной более 400 м обязательно должны иметь принудительную вентиляцию. Искусственная вентиляция автодорожных тоннелей производится путем подачи свежего воздуха, удаления загрязненного или одновременной подачи свежего и вытяжки отработанного воздуха. При этом применяют продольную, поперечную или комбинированную системы вентиляции, отличающиеся друг от друга характером воздухообмена, направлением движения воздуха, наличием или отсутствием специальных приточных и вытяжных каналов. При продольной системе воздух подается и удаляется по всему сечению тоннеля вентиляторами, установленными у порталов (рис. 1.1). Скорость движения воздуха в тоннеле не должна превышать 6 м/с. Такую систему наиболее целесообразно применять в автодорожных тоннелях с односторонним движением транспорта длиной не более 1 км, а также в железнодорожных тоннелях. В тоннелях длиной до 2 км находит применение продольно-струйная система вентиляции, являющаяся разновидностью продольной системы. Для интенсификации проветривания вдоль тоннеля (на стенах или на своде) через 50100 м устанавливают высокоскоростные струйные вентиляторы (рис. 1.2). Наиболее эффективной для автодорожных тоннелей, особенно имеющих значительную протяженность, является поперечная система вентиляции с подачей и вытяжкой воздуха по Рис. 1.1. Продольная схема вентиляции: 1 – вентиляционная установка; 2 – направление движения воздуха Рис. 1.2. Продольно-струйная система вентиляции (а) и схемы размещения вентиляторов (б – г): 1 – вентиляторы; 2 – направление движения воздуха; 3 – направляющие; 4 – корпус; 5 – электрокабель; 6 – элемент крепления продольным каналам, расположенным за пределами габарита приближения строений (рис. 1.3). Скорость движения воздуха в продольных каналах – до 1520 м/с. Длину продольных каналов принимают не более 600800 м из условия обеспечения равномерного выпуска воздуха по тоннелю. Каждый участок проветривания обслуживается отдельной вентиляционной установкой. Рис. 1.3. Поперечная система вентиляции (а) и схемы расположения вентиляционных каналов (б – г): 1 – вентиляционная установка; 2 – направление движения воздуха; 3 – вытяжной канал; 4 – отверстие в вентиляционной перегородке; 5 – приточный канал; 6 – поперечный канал Воздух из приточного продольного канала поступает со скоростью не более 35 м/с по поперечным каналам высотой hпк 815 см и шириной bпк 715 hпк , расположенным через 46 м, и удаляется через отверстия в вентиляционной перегородке шириной а0 120 200 см и длиной l 0 0,1 0,2 a0 . Размещение каналов для притока и вытяжки воздуха зависит главным образом от формы поперечного сечения тоннеля. Так, в тоннелях кругового поперечного сечения приточный канал размещают под проезжей частью, а вытяжной канал – над ней. При сводчатом очертании тоннеля приточный и вытяжной каналы располагают чаще всего над проезжей частью (под сводом), причем возможна как двусторонняя, так и односторонняя подача воздуха. В тоннелях прямоугольного поперечного сечения каналы наиболее целесообразно размещать сбоку от проезжей части, рядом с боковыми стенами, а в двухпролетных тоннелях один из каналов может располагаться между проезжими частями. Применяют также комбинированные системы вентиляции: полупоперечную – с подачей воздуха по каналу и вытяжкой по тоннелю и полупродольную – с подачей воздуха по тоннелю и вытяжкой по каналу (рис. 1.4). Рис. 1.4. Полупоперечная (а) и полупродольная (б) системы вентиляции: 1 – вентиляционная установка; 2 – направление движения воздуха; 3 – приточный канал; 4 – поперечный канал; 5 – вытяжной канал; 6 – отверстия в вентиляционной перегородке Рис. 1.5. Схема портальношахтной (а) и шахтной (б) вентиляции при проветривании горного и подводного тоннелей: 1 – портальная вентиляционная установка; 2 – вентиляционная установка над При проветривании тоннелей значительной протяженности (более 1,5...2 км) в дополнение к портальным вентиляционным установкам устраивают вентиляционные установки, размещаемые над шахтными стволами (рис. 1.5). В шахтных стволах скорость движения воздуха не должна превышать 7...8 м/с. Более подробные сведения о вентиляции автодорожных тоннелей можно найти в дополнительной литературе. Проектирование вентиляции автодорожных тоннелей предусматривает: - определение необходимого расхода и давления воздуха для проветривания; - выбор вентиляционных установок; - размещение вентиляционных каналов, перегородок и прочее. 1.2. Расход воздуха, подаваемого в тоннель Расход воздуха, который требуется подавать в тоннель для обеспечения нормальной эксплуатации, определяют из условий снижения до ПДК вредных газов и установления в тоннеле нормального температурного режима. Для расчета вентиляции принимают исходные данные: тип и назначение тоннеля, категорию дороги, площадь поперечного сечения тоннеля, длину тоннеля, высоту расположения над уровнем моря, продольный профиль и план тоннеля, интенсивность движения автомобилей, скорость движения автомобилей в колонне, состав автомобильного потока по типам автомобилей, систему вентиляции. Состав автомобильного потока для курсового проектирования допускается назначать из условий: 1) автомобильный поток представлен легковыми автомобилями с карбюраторными двигателями т л 20 45 % общего потока, грузовыми автомобилями с карбюраторными двигателями тгк 30 55 % общего потока, грузовыми автомобилями с дизельными двигателями тгд 15 20 % общего потока, автобусами с карбюраторными двигателями тав 510 % общего потока. В качестве начальных данных для проектирования вентиляции необходимо задаться величинами т л , тгк , тгд , т; 2) общий поток автомобилей составляет т л тгк тгд тав 100 %; 3) количество грузовых автомобилей в общем потоке независимо от типа двигателя определяется тг тгк тгд ; 4) по типам двигателя автомобильный поток разделяется на автомобили с карбюраторными двигателями (легковые, грузовые, автобусы) и автомобили с дизельными двигателями (грузовые); 5) доли автомобилей с карбюраторными и дизельными двигателями в общем потоке определяются по формулам: тк т л тгк тав – доля автомобилей с карбюраторными двигателями в общем потоке; тд тгд – доля автомобилей с карбюраторными двигателями в общем потоке; тк тд 100 %; 6) доля каждой группы автомобилей с карбюраторными двигателями в общем потоке таких автомобилей вычисляется из предположения т л, кп тгк , кп тав , кп 100 %. Отсюда следует т л,кп 100 т л тк – доля легковых автомобилей в "карбюраторном" потоке; тгк,кп 100 тгк тк – доля грузовых автомобилей в "карбюраторном" потоке; тав ,кп 100 тав тк – доля автобусов в "карбюраторном" потоке; 7) "дизельный" поток автомобилей представлен только одним видом автомобилей – грузовыми автомобилями, поэтому тгд,дп 100 %; 8) в расчетных формулах величины mi подставляются не в %, а в долях единицы, то есть разделенные на 100. тгк 35 %; тгд 20 %; 100 % 35 % 35 % 20 % 10 %, все значения попадают в Пример: тав назначим т л 35 %; интервалы, указанные в условиях выше. тг 35 % 20 % 55 %; тк 35 % 35 % 10 % 80 %; тд 20 %. "Карбюраторный" поток: т л,кп 100 35 % 80 % 43,75 %, округляем до целых т л,кп 44 % ; тгк ,кп 100 35 % 80 % 43,75 %, округляем до целых тгк,кп 44 % ; тав ,кп 100 % 44 % 44 % 12 %. "Дизельный" поток: тгд,дп 100 %. Для дальнейших расчетов все значения mi делим на 100, поэтому т л 0,35; тгк 0,35; тгд 0,20; тав 0,10; тг 0,55; тк 0,80; тд 0,20; т л,кп 0,44; тгк ,кп 0,44; тав ,кп 0,12; тгд,дп 1,0. 1.2.1. Расчет по предельно допустимой концентрации СО В курсовом проекте допускается производить расчет по ПДК вредных газов в тоннеле только для CO. Расход воздуха, м3/с, требуемый по условию снижения концентрации СО до предельно допустимой: QCO L Ja cпк cск cпд cсд m q m q , (1.1) к к д д Va 2 2 где L – длина тоннеля или его участка с одним уклоном, км; J a – максимальная часовая интенсивность движения автомобилей, авт./ч (табл. 1.1); Va – средняя скорость движения колонны автомобилей по тоннелю, км/ч (табл. 1.1); – предельно допустимая концентрация СО в воздухе тоннеля, мг/м3 (табл. 1.2), при этом время нахождения транспорта в тоннеле t, мин, определяется по формуле t 60 L Va , но не менее 5 мин; – концентрация СО в приточном воздухе, обычно =1мг/м3; тк , тд – доли автомобилей с карбюраторными и дизельными двигателями в общем Таблица 1.1 Категория дороги I II III Максимальная интенсивность движения автомобилей J a , авт./ч Расчетная скорость движения колонны автомобилей Va , км/ч Более 2400 2400 1600 1600 800 Менее 800 80 60 50 40 IV Таблица 1.2 Время нахождения транспорта в тоннеле t , мин ПДК СО , мг/м3 ПДК СН2 , мг/м3 Нормальный режим движения с расчетной скоростью 5 10 15 20 60 35 26 21 2 При отсутствии пешеходов Замедленный режим движения (Va 20 км/ч и остановки движения до 15 мин) 200 0,7 При наличии пешеходов потоке; спк , сск , спд , ссд – коэффициенты, учитывающие влияние уклона проезжей части тоннеля для различных скоростей движения на подъеме и спуске соответственно для автомобилей с карбюраторными и дизельными двигателями (табл. 1.3); qк , qд – количество СО, выделяемого одним «осредненным» автомобилем с карбюраторным и дизельным двигателем соответственно, мг/с, определяются по формулам: qк 2,777 1 14,9 к Gт.к Pк cв ; qд 2,777 1 14,9д Gт. д Pд cв , (1.2) где к = 0,851,2 – коэффициент избыточного расхода воздуха в горючей смеси для карбюраторных двигателей; д = 1,52,5 – коэффициент избыточного расхода воздуха в горючей смеси для дизельных двигателей; Gт. к , Gт. д – расход топлива одним «осредненным» автомобилем, кг/ч (табл. 1.4); Рк , Рд – процентное содержание СО в выхлопных газах по массе, %; при равномерном движении принимают для карбюраторных двигателей тк = 0,72,0 %; для дизельных двигателей тд = 0,080,13 %; при замедлении для карбюраторных двигателей тк = 2,04,0 %; cв – коэффициент, учитывающий влияние высоты расположения тоннеля над уровнем моря (табл. 1.5). Таблица 1.3 Коэффициенты сп - сс Уклоны, ‰ 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 Тип двигателя карбюраторный дизельный Скорость движения, км/ч 40 50 60 80 40 50 60 1,97 1,64 1,42 1,24 3,75 4,33 5,41 1,88 1,56 1,35 1,17 3,29 3,82 4,80 1,80 1,49 1,27 1,11 2,83 3,31 4,20 1,73 1,41 1,21 1,05 2,36 2,78 3,56 1,65 1,34 1,15 1,00 1,88 2,26 2,93 1,57 1,27 1,09 0,96 1,40 1,74 2,31 1,49 1,20 1,04 0,92 0,94 1,20 1,68 1,40 1,13 0,99 0,89 0,70 0,85 1,09 1,28 1,06 0,95 0,86 0,63 0,66 0,82 1,13 0,99 0,91 0,84 0,75 0,75 0,75 1,01 0,94 0,88 0,82 0,87 0,87 0,87 0,97 0,92 0,85 0,79 1,00 1,00 1,00 0,96 0,90 0,84 0,78 1,12 1,12 1,12 80 6,04 5,45 4,87 4,25 3,62 2,98 2,36 1,74 1,16 0,86 0,87 1,00 1,12 Таблица 1.4 Группы автомобилей Легковые Автобусы Грузовые с карбюраторными двигателями Грузовые с дизельными Скорость движения колонны автомобилей, км/ч 30 40 50 60 70 80 Расход топлива Gт , кг/ч, по группам автомобилей 2,10 2.75 3,48 4,31 5,33 6,98 6,39 8,58 11,47 15,10 20,72 26,05 5,77 8,38 12,47 15,41 20,05 24,86 6,93 9,85 14,79 18,71 24,95 32,2 двигателями Таблица 1.5 Высота над уровнем моря, м cвк для карбюраторных двигателей cвд для дизельных двигателей 0 400 800 1200 1600 2000 1,10 1,17 1,43 1,80 2,18 2,55 - 1,00 1,23 1,45 1,67 1,90 Пример определения Gт. к , Gт.д по данным, приведенным выше. Если задаться расчетной скоростью движения автомобилей, например 60 км/ч, то Gт.к 4,31 т л, кп 15,41 тгк , кп 15,1 тав , кп 4,31 0,44 15,41 0,44 15,1 0,12 10,49 кг/ч; Gт.д 18,71 тгд, дп 18,71 1,0 18,71 1,0 18,71 кг/ч. При односкатном профиле с одним продольным уклоном расход воздуха определяют сразу для всего тоннеля, а при многоскатном профиле – по участкам с разными уклонами. Поэтому в формуле (1.1) в первом случае принимают полную длину тоннеля Lт , а во втором – длину каждого отдельного участка L1 , L2 , L3 и т.д. Тогда общий расход воздуха определяется суммированием расходов по участкам. 1.2.2. Расчет по теплоизбыткам Расход воздуха, м3/с, требуемый по условию удаления из тоннеля избыточного тепла и установления нормального температурного режима: Qт T , 1000 a t т t н т (1.3) где Т – суммарные теплоизбытки в тоннеле, Вт; а – удельная массовая теплоемкость воздуха, кДж/(кг · °С), принимают а = 1 кДж/(кг · °С); t т , tн – температура воздуха в тоннеле и наружная на поверхности земли, °С; т – плотность воздуха в тоннеле при определенной температуре, кг/м3 (табл. 1.6). Теплоизбытки в тоннеле, Вт, определяют как сумму тепловыделений с учетом возможных теплопотерь: Т Т а Т осв Т л Т пор , (1.4) Таблица 1.6 tт (tн), °С -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 т (н), кг/м3 1,396 1,368 1,342 1,317 1,293 1,270 1,248 1,226 1,205 1,185 1,165 1,146 где Та – тепловыделения автомобильных двигателей, Вт; Тосв – тепловыделения устройств искусственного освещения, Вт; Тл – тепловыделения находящихся в тоннеле людей, Вт; Тпор – тепловыделения породного массива, окружающего тоннель, или теплопотери при уходе тепла из тоннеля в породный массив, Вт. Температуру подаваемого в тоннель воздуха tн принимают равной среднегодовой температуре воздуха в данной местности. Для курсового проекта допускается принимать температуру наружного воздуха tн от –5 до +15 °С. Температура воздуха в тоннеле tт не должна превышать среднюю температуру наружного воздуха tн более чем на 1015 °С и не должна быть выше +35 °С. Плотность воздуха при определенной температуре и нормальном атмосферном давлении 101325 Па можно принять по табл. 1.6. Тепловыделения автомобильных двигателей, Вт: Тa Ja L c c mк Gтк hк к cвк пк cк 3,6 Va 2 mд Gтд hд д свд спд ссд , 2 (1.5) где hк , hд – низшая теплотворная способность бензина и дизельного топлива, hк = 44000 кДж/кг; hд = 42500 кДж/кг; к , д – доля тепловыделений карбюраторных и дизельных двигателей, к = 0,6; д = 0,45. Тепловыделения устройств освещения, Вт: Тосв = 1000 · · с , (1.6) где – коэффициент перехода электроэнергии в тепло, = 0,920,97; Nc – потребляемая мощность одновременно включенных светильников, кВт. Значение Nc вычисляется по формуле Nc = Nc1 · nсвет,сеч · (1000 · L) / sсвет, где Nc1 = 0,1...1,0 кВт – потребляемая мощность одного светильника; nсвет,сеч = 2...3 – количество светильников в поперечном сечении тоннеля; L – длина тоннеля, км; sсвет = 5...10 м – шаг светильников по длине тоннеля. Тепловыделения находящихся в тоннеле людей, Вт: Тл = раб · раб + вод · вод + пас · пас + пеш · пеш, (1.7) где i – средние тепловыделения одного человека, Вт, величину i принимают для ремонтных и эксплуатационных рабочих раб =175 Вт, для водителей вод =115145 Вт, для пассажиров и пешеходов пас = пеш = 80 Вт; i – максимальное количество людей, одновременно находящихся в тоннеле. В курсовом проекте значение i допускается определять по условиям нормального режима движения транспорта: - для ремонтных и эксплуатационных рабочих из расчета 7 чел. на 1 км тоннеля, но не менее 7 чел. при длине тоннеля менее 1 км и не более 30 чел. для длинных тоннелей, т.е. раб=7·L; 7 ≤ раб ≤ 30; - для водителей по формуле вод J a L Va ; (1.8) - для пассажиров по формуле пас J a L Va (к л ·m л к г ·mг кав ·mав ) , (1.9) где кл = 1...4 – количество пассажиров в легковых автомобилях; кг = 1...2 – количество пассажиров в грузовых автомобилях; кав = 20...60 – количество пассажиров в автобусах; Ja – в авт/ч, L – в км, Va – в км/ч; - для пешеходов из расчета 5 чел. на 1 км тоннеля, но не менее 5 чел. при длине тоннеля менее 1 км, т.е. пеш = 5·L; пеш ≥ 5. Значения i округляются до целых чисел в большую сторону. Тепловыделения породного массива (теплопотери через обделку тоннеля), Вт: Т пор 1000 ·П кон L tпор t т Rо , (1.10) где Пкон – периметр внутреннего контура тоннеля, м; tпор – средняя температура породы на данной глубине, °С, определяемая по Н h формуле t пор tн , где H – глубина заложения тоннеля, м; n h – глубина пояса постоянных температур, равная 30...35 м; n – величина геотермической ступени, определяется в зависимости от отметки тоннеля выше уровня моря по табл. 1.7; Rо – сопротивление теплопередаче обделки тоннеля, м2 · °С/Вт. Сопротивление теплопередаче обделки тоннеля 1 1 Ro Rт , (1.11) Таблица 1.7 в н где в – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности обделки, принимают для обделок c плоской поверхностью в=8,7 Вт/(м2 · °С); для обделок с ребристой поверхностью в=7,54 Вт/(м2 · °С); н – коэффициент теплопередачи наружной поверхности обделки тоннеля, принимают для обделок, контактирующих с сухой породой н = 5,8 Вт/(м2 · °С); для обделок, контактирующих с влажной поро- Отметка, м 0...100 101...300 301...500 501...1000 1001...1500 1501...2000 2001...2500 n, м 20 25 30 35 40 45 50 дой н = 11,6 Вт/(м2 · °С); Rт – термическое сопротивление обделки тоннеля, м2 · °С/Вт. Величину Rт для многослойных конструкций (обделка, облицовка, гидроизоляция, защитная обойма и пр.) определяют как сумму сопротивлений отдельных слоев: Rm Rmi i i , (1.12) где i – толщина отдельного слоя, м; i – расчетный коэффициент теплопроводности материала отдельного слоя, Вт/(м · °С) (табл. 1.8). Таблица 1.8 Материал Сталь i , Вт/(м · °С) 58 Чугун 50 Камень (мрамор, гранит, базальт) Железобетон Бетон 33,5 1,92 1,74 Материал Цементнопесчаный раствор Кирпичная кладка Гидроизол, рубероид Полимеры i , Вт/(м · °С) 0,680,90 0,460,87 0,174 0,348 Величина Tпор может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от величин tпор и tт. Если tпор больше tт, то происходит передача тепла от породного массива через обделку в тоннель – теплоприход в тоннель и наоборот, если tт больше tпор, происходит теплоуход, так как в любом случае тепло уходит в более холодную область. В формуле (1.4) значение Tпор, полученное по формуле (1.10), следует учитывать со своим знаком. 1.2.3. Выбор системы вентиляции После определения требуемых расходов воздуха по ПДК СО и теплоизбыткам в тоннеле определяется максимальное значение требуемого расхода воздуха, м3/с: Qmax max Qco , Qт . (1.13) Выбор системы вентиляции определяют по допустимой скорости движения воздуха в транспортной зоне тоннеля Vв. Вначале проверяют возможность применения продольной (продольно-струйной) системы вентиляции в тоннеле при Vв 6. Средняя скорость движения воздуха в транспортной зоне тоннеля, м/с: Vв Qmax S т , где S т – сечение транспортной зоны тоннеля, м2. При Vв 6 м/с принимают поперечную систему вентиляции либо проверяют возможность применения комбинированных схем вентиляции или производят переконструирование сечения тоннеля с целью увеличения площади транспортной зоны тоннеля. При предварительном выборе системы вентиляции допускается использовать критерии, приведенные в табл. 1.9. Таблица 1.9 Система вентиляции Естественное проветривание Продольная Продольно-струйная Поперечная Длина тоннеля L, км ≤ 0,4 0, 43 0, 43 > 1.2 Скорость движения воздуха в тоннеле Vв, м/с Vе Qmax S т ≤6 ≤6 >6 1.3. Давление воздуха По нормативам, при длине автодорожных тоннелей менее 150 м вентиляция осуществляется только естественным проветриванием. В тоннелях длиной от 150 до 400 м искусственная вентиляция может не устраиваться, если создается естественная тяга воздуха, обеспечивающая предельно допустимую концентрацию вредных газов и нормальный температурный режим в тоннеле. Допустимость естественного проветривания в этом случае обосновывается расчетом. Тоннели длиной более 400 м должны проветриваться с помощью специально устроенных и расcчитанных вентиляционных установок. 1.3.1. Продольная система вентиляции Поперечные сечения тоннелей сводчатого и кругового очертания при продольной системе вентиляции приведены на рис. 1.6. и 1.7. Рис. 1.6. Поперечное сечение тоннеля сводчатого очертания при продольной системе вентиляции Рис. 1.7. Поперечное сечение тоннеля кругового очертания при продольной системе вентиляции 1.3.1.1. Определение факторов естественного проветривания При продольной системе вентиляции в тоннелях длиной от 150 до 400 м проверяется возможность проветривания за счет естественных факторов, которые при самых невыгодных условиях должны обеспечивать необходимую тягу воздуха. Тяга воздуха определяется как алгебраическая сумма давлений в тоннеле, Па, создаваемых совместным действием отдельных факторов естественного проветривания: Pe Pв Pt Pб Pа , (1.14) где Рв, Рt, Рб, Ра – соответственно давления, вызванные действием ветра, разностью температур, барометрического давления и поршневым эффектом автомобилей. Каждый из факторов может действовать в любом направлении в зависимости от определенных условий. В курсовом проекте допускается рассматривать все факторы естественного проветривания с одним знаком для получения максимально возможной величины Ре. Давление за счет динамического действия ветра, Па: 2 Pв 0,5 т Vвт cos 2 , (1.15) где Vвт – скорость ветра, попутного или встречного движению воздуха в тоннеле, м/с (для курсового проекта допускается принимать 3...6 м/с), при попутном направлении ветра значение Pв > 0, при встречном направлении ветра Pв < 0; – угол между направлением ветра и осью тоннеля, град (для курсового проекта допускается принимать 5...15°). Давление, вызванное разностью температур воздуха на поверхности и в тоннеле, Па: Pt 9,81 H н т , (1.16) где – разность высотных отметок порталов тоннеля, м, определяемая в зависимости от уклонов и длины тоннеля; при односкатном продольном профиле H=L·i, где L – длина тоннеля, км; i – продольный уклон тоннеля, ‰; н и т определяются для соответствующих температур (по табл. 1.6), кг/м3. Если температура воздуха в тоннеле выше, чем на поверхности (в холодное время года), то воздух движется от нижнего портала к верхнему, в противном случае – наоборот. Давление за счет разности барометрических давлений у порталов, Па: Pб Pб1 Pб 2 . (1.17) В курсовом проекте допускается вычислять давление Pб по упрощенной формуле Pб 9,9 H . (1.18) Давление, вызванное поршневым действием автомобилей, движущихся в одном направлении, Па: Pa S м S т ca т 2 N a Va Vв 2 , (1.19) где Sм – миделево сечение автомобиля, м2; Sт – площадь поперечного сечения тоннеля, м2; са – коэффициент лобового сопротивления автомобиля; Nа – количество автомобилей, одновременно находящихся в тоннеле на одной полосе движения; Va – скорость движения колонны автомобилей, м/с; Vв – средняя скорость движения воздуха в тоннеле, м/с. В формуле (1.19) знак «плюс» ставится тогда, когда направление движения автомобилей совпадает с направлением движения воздуха, и знак «минус» – когда не совпадают движения автомобилей и воздуха. Для курсового проекта допускается рассматривать один, наиболее невыгодный, случай, когда направление воздуха совпадает с движением транспортного потока и при этом поршневой эффект оказывает негативное влияние на проветривание. Значения Sмi составляют: для легковых автомобилей малого класса 1,52,0 м2, для легковых автомобилей среднего и большого класса 2,02,8 м2, для грузовых автомобилей 3,0 6,5 м2, для автобусов 3,07,5 м2. Значения саi принимают: для легковых автомобилей 0,4 0,5; для грузовых автомобилей 0,61,0; для автобусов 0,450,9 (первые числа – для автомобилей с хорошо обтекаемым, а вторые – для автомобилей с плохо обтекаемым кузовом). Для расчета принимают средневзвешенные значения Sм и са (с учетом долей автомобилей в общем потоке): S м S м , л m л S м , г mг S м , ав mав ; cа c а , л m л cа , г mг cа , ав mав . (1.20) Количество автомобилей, одновременно находящихся в тоннеле на одной полосе движения: N a L J a 2Va . (1.21) При длинах тоннелей 400 м и менее, определив суммарное давление Pе и учитывая, что оно расходуется на преодоление со- противлений, возникающих в тоннеле, подсчитывают скорость движения воздуха от естественных факторов проветривания в тоннеле (с учетом всех сопротивлений), м/с: Vе 2 Pе , 1000 L т тр i d эт (1.22) где тр – коэффициент трения воздуха по внутренним стенкам тоннеля; dэт – эквивалентный диаметр тоннеля, м; Значения тр ориентировочно принимают для тоннелей: - с гладкой бетонной поверхностью тр = 0,028; - с ребристой поверхностью при обделке из железобетонных тюбингов тр = 0,036; - с ребристой поверхностью при обделке из чугунных тюбингов тр = 0,047. i – сумма местных сопротивлений в тоннеле (табл. 1.10), принимаемая для естественных факторов проветривания i 9 1 3 8 . Таблица 1.10 № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Вид местного сопротивления Вход в воздуховод по прямому направлению Вход в воздуховод с поворотом Выход из воздуховода по прямому направлению Выход из воздуховода с поворотом Поворот (отвод) на 900 круглый Поворот (отвод) на 900 прямоугольный Колено 900 Внезапное расширение потока Внезапное сжатие потока i 0,5 1,5 1,0 2,0 0,10,3 0,20,6 0,41,1 0,10,8 0,20,5 Эквивалентный диаметр воздуховодов некругового сечения d эт 4 S т П т , (1.23) где Sт – площадь поперечного сечения транспортной зоны тоннеля в свету, м2; Пт – периметр поперечного сечения тоннеля, соответствующий Sт, м. Определив Vе, следует проверить условие Vе Q S т , при соблюдении которого достаточность естественного проветривания можно считать обоснованной. При длинах тоннелей более 400 м расчет скорости движения воздуха Vе, создаваемой естественными факторами, не производится, так как используется искусственная вентиляция. 1.3.1.2. Расчет искусственной вентиляции при продольной системе При расчете искусственной вентиляции определяют давление подаваемого в тоннель воздуха, необходимое для преодоления сопротивлений, возникающих в тоннеле. При продольной системе вентиляции возникают сопротивления за счет сил трения воздуха по длине тоннеля, а также местные сопротивления при входе и выходе воздуха из тоннеля и при поворотах, если трасса тоннеля располагается на кривой. В ряде случаев учитывают сопротивление, вызванное естественной тягой воздуха, направленной навстречу воздушному потоку, создаваемому вентиляторами. Сопротивление трения, т. е. потеря давления в воздуховоде произвольного поперечного сечения, Па: тр L т Vв2 P1 , d эт 2 (1.24) где тр принимают по примечанию к формуле (1.22); L – длина тоннеля (участка), м; dэт – определяют по формуле (1.23); Vв – средняя скорость движения воздуха в тоннеле (см. подр. 1.2.3.), м/с. Потери давления в местных сопротивлениях, Па: т Vв2 P2 i . 2 (1.25) где i – сумма местных сопротивлений в тоннеле (см. табл. 1.10), принимается с учетом размещения вентиляционных установок, i 8 2 3 8 . Полное необходимое давление воздуха в тоннеле определяется суммой давлений: Pmax Pe P1 P2 , при этом дополнительно учтено давление естественных факторов Ре как негативное. 1.3.2. Продольно-струйная система вентиляции Поперечные сечения тоннелей сводчатого и кругового очертаний при продольно-струйной системе вентиляции приведены на рис. 1.8 и 1.9. Рис. 1.8. Поперечное сечение тоннеля сводчатого очертания при продольноструйной системе вентиляции Рис. 1.9. Поперечное сечение тоннеля кругового очертания при продольноструйной системе вентиляции 1.3.2.1. Определение факторов естественного проветривания Факторы естественного проветривания определяются аналогично подр. 1.3.1.1. 1.3.2.2. Расчет искусственной вентиляции при продольно-струйной системе Значение Pmax определяется по формулам подр. 1.3.1.2. При продольно-струйной системе используются высокоскоростные вентиляторы местного проветривания. Технические характеристики струйных вентиляторов (местного проветривания) приведены в прил. 1. Количество струйных вентиляторов подбирается исходя из давления, создаваемого каждым вентилятором, определяемого по формуле S V V Pсв k св св св 1 т Vв2 , (1.26) S т Vв Vв где k – коэффициент использования струи, k = 0,850,90; Sсв – площадь поперечного сечения вентилятора на выходе (площадь кольцевого сечения), м2 (см. прил.1); Vсв – скорость движения воздуха у выходного отверстия вентилятора, м/с (см. прил.1). 1.3.3. Поперечная система вентиляции Поперечные сечения тоннелей сводчатого и кругового очертаний при поперечной системе вентиляции приведены на рис. 1.10 и 1.11. При поперечной системе вентиляции сопротивления трения возникают в продольных и поперечных вентиляционных каналах, а местные сопротивления – при входе и выходе воздуха из каналов, при поворотах, сужениях и расширениях воздуховодов и пр. При поперечной системе вентиляции с промежуточными шахтными стволами необходимо также учитывать сопротивление трения при движении воздуха по шахтному стволу или устроенным в нем каналам и местные сопротивления при входе и выходе воздуха из шахтного ствола, поворотах и пр. В курсовом проекте допускается не учитывать наличие шахтных стволов в системе поперечной вентиляции. Давление Pmax определяется как сумма давлений P1,прод, P2,прод в продольном канале и P1,пк, P2,пк в поперечных каналах: Pmax = P1,прод + P2,прод + P1,пк + P2,пк. При определении Pi учитываются характеристики поперечных сечений продольного канала и поперечных каналов. P1,прод определяется по формуле (1.24), при этом тр принимают по примечанию к формуле (1.22); L = Lуч – длина участка вентиляции, м; dэт определяют по формуле dэт = 4 · Sпрод / Ппрод, где Sпрод и Ппрод – площадь сечения и периметр продольного канала соответственно. Vв = Vпрод – средняя скорость движения воздуха в продольном канале, м/с, определяемая по формуле Vпрод = Qуч / Sпрод, где Qуч = Qmax / nуч. Рис. 1.10. Поперечное сечение тоннеля сводчатого очертания при поперечной системе вентиляции Рис. 1.11. Поперечное сечение тоннеля кругового очертания при поперечной системе вентиляции nуч – количество участков вентиляции по длине тоннеля. Количество участков назначается из условий: - длина участка Lуч = 600...800 м; - скорость движения воздуха в продольном канале Vпрод ≤ 20 м/с. P2,прод определяется по формуле (1.25), при этом Vв = Vпрод – средняя скорость движения воздуха в продольном канале, м/с; i – сумма местных сопротивлений в тоннеле (см. табл. 1.10), принимается с учетом размещения вентиляционных установок, i 8 2 3 9 . Для определения давления P1,пк задаются предварительными размерами и количеством поперечных каналов исходя из условий: - поперечные каналы имеют прямоугольное поперечное сечение; - высота поперечного канала hпк = 80...150 мм; - ширина поперечного канала bпк = 550...2250; - шаг поперечных каналов пк вдоль тоннеля назначается в пределах 4...6 м; - скорость движения воздуха в поперечном канале Vпк ≤ 5 м/с. Количество поперечных каналов nпк определяется по формуле nпк = Lуч / пк с округлением до целого в большую сторону. P1,пк определяется по формуле (1.24), при этом тр принимают для поперечных каналов, облицованных листовой сталью, асбоцементными листами или винипластом 0,08...0,10; L = Lпк= = lпк = nпк · lпк – длина всех поперечных каналов, м. Длина одного поперечного канала lпк определяется графически по чертежу поперечного сечения тоннеля с учетом размещения вентиляционных каналов. dэт определяется по формуле dэт = 2 hпк · bпк / ( hпк + bпк ). Скорость движения воздуха в поперечном канале Vпк определяется по формуле Vпк = Qуч / (nпк · hпк · bпк ). P2,пк определяется по формуле (1.25), при этом Vв = Vпк – средняя скорость движения воздуха в поперечном канале, м/с; i сумма местных сопротивлений в тоннеле (см.табл. 1.10), принимается с учетом размещения поперечных каналов, их количества и конфигурации: - для тоннелей сводчатого очертания i 9 1 5 5 3 8 nпк ; - для тоннелей кругового очертания i 9 1 3 8 ппк . 1.4. Выбор вентиляционного оборудования После определения требуемых значений Qmax и Pmax определяют расчетные значения расхода и давления воздуха. Расчетные значения принимают с учетом возможных потерь порядка 510 %: Q p 1,051,10 Qmax ; Pp 1,051,10 Pmax . (1.27) Определив расчетный расход воздуха Qр и требуемое давление Рр , выбирают необходимое вентиляционное оборудование. Для проветривания тоннелей применяют центробежные и осевые вентиляторы главного проветривания, а также струйные высокоскоростные вентиляторы местного проветривания. Вентиляторы подбирают по их характеристикам, которые выражают зависимость между основными параметрами их работы: производительностью и давлением при различной частоте вращения и разных коэффициентах полезного действия. В первом приближении выбор типа вентиляторов можно производить по их основным параметрам, приведенным в прил. 1 – 5. В случае если один вентилятор не удовлетворяет расчетным значениям Qр и Рр , выбирают несколько вентиляторов, объединяя их по параллельной или последовательной схеме. При параллельной схеме общий расход воздуха, подаваемого в воздуховод, будет равен сумме производительности всех установленных параллельно вентиляторов, а общее давление не будет превышать давления, создаваемого каждым из вентиляторов. При последовательной схеме общее давление равно сумме давлений всех вентиляторов, а производительность соответствует производительности каждого из вентиляторов. Тоннельные вентиляторы должны удовлетворять следующим требованиям: - иметь большую производительность (порядка 180...250 тыс. м3/ч) и минимальные размеры; - обладать широким диапазоном допустимого изменения производительности (в пределах 70...250 тыс. м3/ч); - иметь наибольший КПД при оптимальном режиме работы; - обладать возможностью реверсирования движения воздуха; - при реверсировании производительность вентилятора должна составлять не менее 80 % его производительности в прямом режиме; - обеспечивать устойчивую параллельную работу двух одинаковых вентиляторов; - иметь надежную, простую в обслуживании, маловибрационную, малошумную конструкцию. В большей степени этим требованиям удовлетворяют осевые вентиляторы. Центробежные вентиляторы являются более производительными и менее шумными, но уступают осевым по другим показателям и не реверсируются. 1.4.1. Продольная система вентиляции При продольной системе используются центробежные и осевые вентиляторы главного проветривания (см. прил. 4, 5), которые устанавливаются у порталов в специальных помещениях (рис. 1.1, 1.12). 1.4.2. Продольно-струйная система вентиляции Струйные вентиляторы размещают непосредственно на стенах или под сводом тоннеля, над тротуарами или непосредственно над проезжей частью так, чтобы ось каждого вентилятора была параллельна оси тоннеля. Можно располагать струйные вентиляторы и в специальных нишах в стенах или своде (см. рис. 1.2). Рис. 1.12. Схемы вентиляционных установок горного (а), подводного (б) и городского (в) тоннелей: 1 – центробежный вентилятор; 2 – вентиляционная камера; 3 – жалюзи; 4 – тоннель; 5 – направление движения воздуха; 6 – щелевое отверстие; 7 – диффузор; 8 – осевой вентилятор; 9 – вытяжной шахтный ствол; 10 – вентиляционный канал; 11 – вентиляционный киоск Количество рядов (ступеней) струйных вентиляторов вдоль тоннеля определяют так: nсв = Pр / Pсв, (1.28) где Рсв – см. формулу (1.26). Требуемое количество струйных вентиляторов в поперечном сечении nсв,сеч определяется по расходу воздуха, создаваемому одним струйным вентилятором: nсв,сеч = Qр / ( Qсв · nсв ), где Qсв принимается по прил. 1, в зависимости от выбранного типа вентилятора местного проветривания. 1.4.3. Поперечная система вентиляции При поперечной системе вентиляции используются центробежные и осевые вентиляторы главного проветривания (см. прил. 4, 5), которые размещают непосредственно у порталов тоннелей или в подземных камерах (см. рис. 1.3, 1.12). 1.5. Алгоритмы расчета вентиляции автодорожных тоннелей 1.5.1. Продольная система вентиляции I. Определение расхода воздуха, подаваемого в тоннель: - принимается состав транспортного потока mл, mгк, mгд, mав; - вычисляются составляющие транспортного потока m, mк, mд, mл,кп, mгк,кп, mав,кп, mгд,дп; 1. Расчет по предельно допустимой концентрации СО: - вычисляются значения qk и qд по формулам (1.2); - вычисляется расход воздуха по формуле (1.1). 2. Расчет по теплоизбыткам: - назначаются температура воздуха в тоннеле и наружная температура воздуха; - вычисляются тепловыделения автомобильных двигателей по формуле (1.5); - принимается схема размещения светильников и вычисляются тепловыделения устройств освещения по формуле (1.6); - вычисляются тепловыделения находящихся в тоннеле людей по формуле (1.7); - определяется средняя температура породы на глубине заложения тоннеля; - определяется термическое сопротивление обделки тоннеля по формуле (1.12) с учетом конструкции обделки; - определяется сопротивление теплопередаче обделки тоннеля по формуле (1.11); - вычисляются тепловыделения породного массива (теплопотери через обделку тоннеля) по формуле (1.10); - определяются суммарные теплоизбытки в тоннеле по формуле (1.4); - определяется расход воздуха по формуле (1.3); - определяется максимальное значение требуемого расхода воздуха по ПДК СО и теплоизбыткам в тоннеле по формуле (1.13); - определяется площадь сечения транспортной зоны тоннеля (рис. 1.13); - вычисляется средняя скорость движения воздуха в транспортной зоне тоннеля по максимальному расходу воздуха; - при средней скорости движения воздуха в транспортной зоне тоннеля не более 6 м/с применение продольной системы вентиляции считается обоснованным; S S Рис. 1.13. Определение площади сечения транспортной зоны тоннеля - при значениях средней скорости движения воздуха в транспортной зоне тоннеля более 6 м/с производят переконструирование сечения тоннеля с целью увеличения площади сечения транспортной зоны либо принимают поперечную систему вентиляции. II. Определение давления воздуха и выбор вентиляционной установки: - назначается схема размещения вентиляционных установок (либо на одном портале, либо на двух порталах при Qmax>500 м3/с); 1. Определение факторов естественного проветривания: - принимается скорость ветра и угол между направлением ветра и осью тоннеля и определяется давление воздуха, вызванное действием ветра по формуле (1.15); - определяется давление воздуха, вызванное разностью температур воздуха на поверхности и в тоннеле по формуле (1.16); - определяется давление воздуха за счет разности барометрических давлений у порталов по формуле (1.18); - определяется давление воздуха, вызванное поршневым действием автомобилей, движущихся в одном направлении, по формуле (1.19); - определяется суммарное давление воздуха, вызванное естественными факторами, по формуле (1.14). 2. При длине тоннеля 400 м и менее проверяется возможность естественного проветривания: - определяется скорость движения воздуха от естественных факторов по формуле (1.22); - производится сравнение скорости движения воздуха от естественных факторов и средней скорости движения воздуха в транспортной зоне тоннеля, при Vе >Vв естественное проветривание считается обоснованным. 3. При длине тоннеля более 400 м применяется искусственная вентиляция. Расчет искусственной вентиляции: - вычисляется давление, требуемое на преодоление сопротивлений трения, по формуле (1.24); - вычисляется давление, требуемое на преодоление местных сопротивлений, по формуле (1.25); - определяется полное давление с учетом естественных факторов. 4. Выбор вентиляционной установки: - определяются расчетные значения расхода и давления воздуха по формулам (1.27); - по полученным расчетным значениям подбираются вентиляторы из прил. 4, 5; - при необходимости назначается количество вентиляторов в вентиляционной установке по последовательной или параллельной схеме. 1.5.2. Продольно-струйная система вентиляции I. Определение расхода воздуха по предельно допустимой концентрации СО и по теплоизбыткам: - принимается состав транспортного потока mл, mгк, mгд, mав; - вычисляются составляющие транспортного потока mг , mк , mд, mл,кп, mгк,кп, mав,кп, mгд,дп; - вычисляются значения qk и qд по формулам (1.2); - вычисляется расход воздуха, требуемый по условию снижения концентрации СО до предельно допустимой, по формуле (1.1); - назначаются температура воздуха в тоннеле и наружная температура воздуха; - вычисляются тепловыделения автомобильных двигателей по формуле (1.5); - принимается схема размещения светильников и вычисляются тепловыделения устройств освещения по формуле (1.6); - вычисляются тепловыделения находящихся в тоннеле людей по формуле (1.7); - определяется средняя температура породы на глубине заложения тоннеля; - определяется термическое сопротивление обделки тоннеля по формуле (1.12) с учетом конструкции обделки; - определяется сопротивление теплопередаче обделки тоннеля по формуле (1.11); - вычисляются тепловыделения породного массива (теплопотери через обделку тоннеля) по формуле (1.10); - определяются суммарные теплоизбытки в тоннеле по формуле (1.4); - определяется расход воздуха, требуемый по условию удаления из тоннеля избыточного тепла и установления нормального температурного режима, по формуле (1.3); - определяется максимальное значение требуемого расхода воздуха по ПДК СО и теплоизбыткам в тоннеле по формуле (1.13); - определяется площадь сечения транспортной зоны тоннеля (см. рис. 1.13); - вычисляется средняя скорость движения воздуха в транспортной зоне тоннеля по максимальному расходу воздуха; - при средней скорости движения воздуха в транспортной зоне тоннеля не более 6 м/с применение продольно-струйной системы вентиляции считается обоснованым; - при значениях средней скорости движения воздуха в транспортной зоне тоннеля более 6 м/с производят переконструирование сечения тоннеля с целью увеличения площади сечения транспортной зоны либо принимают поперечную систему вентиляции. II. Определение давления воздуха и выбор вентиляционных установок: 1. Определение факторов естественного проветривания: - принимается скорость ветра и угол между направлением ветра и осью тоннеля и определяется давление воздуха, вызванное действием ветра по формуле (1.15); - определяется давление воздуха, вызванное разностью температур воздуха на поверхности и в тоннеле по формуле (1.16); - определяется давление воздуха за счет разности барометрических давлений у порталов по формуле (1.18); - определяется давление воздуха, вызванное поршневым действием автомобилей, движущихся в одном направлении, по формуле (1.19); - определяется суммарное давление воздуха, вызванное естественными факторами, по формуле (1.14). 2. При длине тоннеля 400 м и менее проверяется возможность естественного проветривания: - определяется скорость движения воздуха от естественных факторов по формуле (1.22); - производится сравнение скорости движения воздуха от естественных факторов и средней скорости движения воздуха в транспортной зоне тоннеля, при Vе > Vв естественное проветривание считается обоснованным. 3. При длине тоннеля более 400 м применяется искусственная вентиляция. Расчет искусственной вентиляции: - вычисляется давление, требуемое на преодоление сопротивлений трения, по формуле (1.24); - вычисляется давление, требуемое на преодоление местных сопротивлений, по формуле (1.25); - определяется полное давление с учетом естественных факторов. 4. Выбор вентиляционной установки: - определяются расчетные значения расхода и давления воздуха по формулам (1.27); - предварительно выбирается осевой вентилятор местного проветривания (струйный) по прил. 1; - определяется давление, создаваемое одним вентилятором, по формуле (1.26); - определяется требуемое количество вентиляторов по длине тоннеля для обеспечения необходимого давления воздуха в системе по формуле (1.28); - назначается фактическое количество и шаг струйных вентиляторов по длине тоннеля (округляется требуемое количество в большую сторону); - при необходимости выбирается более или менее мощный вентилятор из рекомендаций по назначению расстояния между струйными вентиляторами вдоль тоннеля (см. подр. 1.1); - определяется необходимое количество вентиляторов в поперечном сечении тоннеля для обеспечения требуемого расхода воздуха на вентилируемом участке (см. подр. 1.4.2). 1.5.3. Поперечная система вентиляции I. Определение расхода воздуха, подаваемого в тоннель: - принимается состав транспортного потока mл, mгк, mгд, mав; - вычисляются составляющие транспортного потока mг, mк, mд, mл,кп, mгк,кп, mав,кп, mгд,дп; 1. Расчет по предельно допустимой концентрации СО: - вычисляются значения qk и qд по формулам (1.2); - вычисляется расход воздуха по формуле (1.1). 2. Расчет по теплоизбыткам: - назначаются температура воздуха в тоннеле и наружная температура воздуха; - вычисляются тепловыделения автомобильных двигателей по формуле (1.5); - принимается схема размещения светильников и вычисляются тепловыделения устройств освещения по формуле (1.6); - вычисляются тепловыделения находящихся в тоннеле людей по формуле (1.7); - определяется средняя температура породы на глубине заложения тоннеля; - определяется термическое сопротивление обделки тоннеля по формуле (1.12) с учетом конструкции обделки; - определяется сопротивление теплопередаче обделки тоннеля по формуле (1.11); - вычисляются тепловыделения породного массива (теплопотери через обделку тоннеля) по формуле (1.10); - определяются суммарные теплоизбытки в тоннеле по формуле (1.4); - определяется расход воздуха по формуле (1.3); - определяется максимальное значение требуемого расхода воздуха по ПДК СО и теплоизбыткам в тоннеле по формуле (1.13). II. Определение давления воздуха и выбор вентиляционной установки: - назначается предварительное количество участков проветривания для каждой вентиляционной установки (учитывая производительность вентиляторов главного проветривания по прил. 4, 5); 1. Расчет давления в продольном канале (приточном или вытяжном): - графически определяются площади приточного и вытяжного продольных каналов (рис. 1.14); - расчет производится на минимальную площадь сечения приточного или вытяжного продольного канала Sпрод; - определяется средняя скорость движения воздуха Vпрод в расчетном продольном канале (см. подр. 1.3.3); - при Vпрод >20 м/с производят переконструирование сечения тоннеля с целью увеличения площади сечения продольных вентиляционных каналов либо увеличивают количество участков проветривания с учетом рекомендуемой длины участка 600...800 м; - определяется периметр расчетного продольного канала и вычисляется эквивалентный диаметр продольного канала по формуле (1.23), принимая в формуле площадь и периметр для продольного канала; - вычисляется давление P1,прод, требуемое на преодоление сопротивлений трения, по формуле (1.24), принимая в формуле коэффициент трения для продольных каналов, длину вентилируемого участка, плотность подаваемого Sпрод вытяжной Sпрод приточный Sпрод вытяжной Поперечный канал Поперечный канал Sпрод приточный Рис. 1.14. Определение площади сечения продольных каналов воздуха, скорость движения воздуха в продольном канале Vпрод и эквивалентный диаметр продольного канала (см. подр. 1.3.3); - вычисляется давление P2,прод, требуемое на преодоление местных сопротивлений, по формуле (1.25), учитывая рекомендации подр. 1.3.3. 2. Расчет давления в поперечных каналах: - назначается предварительный шаг поперечных каналов (4...6 м) на участке проветривания с учетом рекомендаций подр. 1.1, 1.3.3; - определяется количество поперечных каналов на участке по формуле nпк = Lуч / пк с округлением до целого в большую сторону; - назначается скорость движения воздуха Vпк в поперечном канале (3...5 м/с); - определяется требуемая площадь сечения поперечных каналов по формуле Sпк = Qуч /(nпк·Vпк); - назначаются размеры сечения поперечных каналов hпк и bпк в соответствии с требуемой площадью сечения поперечного канала и с учетом рекомендаций подр. 1.1, 1.3.3, (hпк · bпк)≥ Sпк; - определяется эквивалентный диаметр поперечного канала по формуле dЭТ = 2 · hпк · bпк / ( hпк + bпк ); - графически определяется длина поперечного канала lпк; - вычисляется давление P1,пк, требуемое на преодоление сопротивлений трения в поперечных каналах, по формуле (1.24), принимая в формуле коэффициент трения для поперечных каналов, суммарную длину всех поперечных каналов на вентилируемом участке, плотность подаваемого воздуха, скорость движения воздуха в поперечном канале Vпк и эквивалентный диаметр поперечного канала (см. подр. 1.3.3); - вычисляется давление P2,пк, требуемое на преодоление местных сопротивлений в системе "продольный канал – поперечный канал – тоннель", по формуле (1.25) с учетом количества поперечных каналов в пределах вентилируемого участка; - определяется общее давление, требуемое для преодоления сопротивлений, возникающих в продольных и поперечных каналах как сумма Pi. 3. Выбор вентиляционной установки: - определяются расчетные значения расхода и давления воздуха по формулам (1.27); - по полученным расчетным значениям подбираются вентиляторы из прил. 4, 5; - при необходимости назначается количество вентиляторов в вентиляционной установке по последовательной или параллельной схеме. 2. ВЕНТИЛЯЦИЯ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА 2.1. Общие положения Для вентиляции тоннелей метрополитенов используется обычный наружный городской воздух, поступающий через вентиляторные установки, которые располагают в середине каждого перегона и на каждой станции. Для метрополитенов городов, где средняя температура самого холодного месяца ниже 0 °C, существуют два режима вентиляции – зимний и летний. Зимой вентиляционные установки, расположенные на перегонах, работают на приток свежего воздуха, а вентиляционные установки, расположенные на станциях, – на вытяжку, т.е. на станции подается более теплый воздух по сравнению с наружным, согревшимся при прохождении по перегонному тоннелю (рис. 2.1). Летом вентиляционные установки на перегонах работают на вытяжку, а станционные – на приток, т. е. свежий наружный воздух поступает непосредственно на станции. Количество воздуха, необходимое для проветривания линии метрополитена, определяют с учетом поступающих в тоннели тепла, влаги и вредных газов. Как правило, основной вредностью являются тепловыделения. Обычно объем воздуха, рассчитанный по теплоизбыткам, достаточен для поглощения влаги и разбавления углекислого и других вредных газов до допустимой концентрации. а) ) Станция Сбойка между тоннелями б) ) Ст Ст 0,5l Сбойка между тоннелями Ст l Рис. 2.1. Схема вентиляции линии метрополитена: а – зимний режим; б – летний режим 2.2. Расчет вентиляции линии метрополитена 2.2.1. Расчет необходимого количества воздуха по теплоизбыткам Теплоизбытки образуются как разность между теплопритоком в тоннелях и теплоуходом через обделку тоннелей в породу. Теплота на линии метрополитена выделяется поездами, людьми, электроосвещением и другим различным электрооборудованием, расположенным в тоннелях и на станциях. Тепло, выделяемое поездами метрополитена, Вт: Т1 2 N m · 53 · L · Pваг , (2.1) где 2 – число путей в перегонных тоннелях (значение парности поездов); N – число пар поездов в час, движущихся по трассе тоннеля (интенсивность движения), поезд/ч; m – количество вагонов в составе поезда (5 или 6); 53 – приведенный расход электроэнергии, затрачиваемый на движение поезда и потери в токоведущем рельсе, Вт·ч/(т·км); L – длина вентилируемого участка линии, км; Рваг – масса одного вагона с людьми, допускается принимать ориентировочно 50 т. Тепло, выделяемое людьми, Вт: Т2 n , (2.2) где – полное количество тепла, выделяемое одним человеком, Вт, принимают при tвозд= 10 °C 180 Вт; 20 °C 151 Вт; 30 °C 149 Вт; n – количество пассажиров, одновременно находящихся на расчетном участке трассы, n 2 60 L m nваг nпл , V t (2.3) здесь nваг – количество пассажиров в одном вагоне, принимаемое для расчета в размере 70 % от максимального наполнения в часы «пик» (максимальное наполнение вагона составляет от 280 до 300 чел.); V – средняя скорость движения поездов (3540 км/ч); t – интервал между поездами, мин (при 40 парах поездов в час t = 1,5 мин), допускается определять по формуле t 60 N ; nпл – количество людей, одновременно находящихся на платформе станции, nпл = пзап · m · (nв + nп) / 100, (2.4) где пзап – среднее расчетное заполнение вагона (прил. 6); (пв+пп) – высадка и посадка пассажиров на станции, %, по отношению к общему количеству пассажиров в одном вагоне, обычно составляет от 20 до 50 %. Тепло, выделяемое электроосвещением и оборудованием, Вт: а) во время движения поездов: T3 2 Эпер L Lпл Эст Эоб Эвент , (2.5) б) во время прекращения движения: ( L Lпл ) Эст Эоб Эвент , T4 2 Эпер (2.6) lваг m 8 , здесь 1000 lваг – длина вагона по центрам автосцепок (см. прил. 6); где Lпл – длина платформы станции, км, Lпл Эпер – мощность рабочего освещения 1 км однопутного (перегонного) тоннеля, Эпер= 6000 Вт; Эпер – то же при прекращении движения, Эпер= 18000 Вт; Эст – мощность рабочего освещения станции, Эст = 100000 Вт; Эст – мощность дежурного освещения, Эст = 28000 Вт; Эоб – мощность стационарного энергетического оборудования и связи, Эоб = 30000 Вт; Эоб – то же при перерыве движения, Эоб=10000 Вт; Эвент – мощность вентиляционного оборудования, Эвент = 70000 Вт. Суммарное часовое максимальное тепловыделение на расчетном участке трассы, Вт: Тmax = Т1 + Т2 + Т3. (2.7) Суммарное часовое минимальное тепловыделение при перерыве движения поездов, Вт: Tmin = T4. (2.8) Суммарное среднечасовое тепловыделение за сутки, Вт: Т ср Т max z Tmin 24 z , 24 (2.9) где z – время работы метрополитена, равное 19 ч. Среднечасовой уход в окружающую тоннель породу на расчетном участке, Вт: (2.10) Tпор т tв tпор , где – внутренняя поверхность вентилируемых тоннелей на расчетном участке, м2; т – коэффициент теплоотдачи, т.е. количество тепла, которое проходит за 1ч через 1м2 внутренней поверхности обделки при разности температур в 1 °С. Для чугунной обделки т = 0,814 Вт/(м2·°C); для железобетонной обделки т = 0,582 Вт/(м2·°C); tв – средняя температура воздуха в тоннеле, °С, tв = 20...25 °С; tпор – средняя температура породы за обделкой, °С, на глубине до 10 м tпор= 6 °С, на глубине свыше 10 м tпор = 8 °С + 1 °С на каждые 2025 м. Теплоизбытки на расчетном участке, Вт, рассматриваются для теплого периода года и определяются по формуле (2.11) Tизб Tср Tпор . Необходимый объем наружного воздуха по теплоизбыткам для вентиляции, м3/ч: Qт Tизб t , (2.12) где – удельная теплоемкость воздуха (коэффициент теплоемкости), принимаемая 0,279 Вт·ч/(кг · °С); t – разность температур удаляемого и подаваемого воздуха, обычно принимают t = 10 °С; – плотность воздуха, при t = 20 °C = 1,205 кг/м3. В соответствии с действующими нормами должен быть обеспечен не менее чем трехкратный воздухообмен в час по внутреннему объему пассажирских и других помещений, обслуживаемых тоннельной вентиляцией. В соответствии с этим требованием необходимый объем наружного воздуха должен быть не менее определяемого по формуле Qк 3 W , где 3 – минимальная кратность воздухообмена, ч-1 (не менее 3) на 1 пог. м трассы в двухпутном исчислении; W – внутренний объем вентилируемых тоннелей, м3. Для расчета принимается максимальное значение Qi, то есть Qmax maxQт , Qк . 2.2.2. Расчет давления воздуха При расчете давления воздуха определяют потери давления воздуха по длине тоннеля вследствие сопротивления трения по стенам и потери давления в местных сопротивлениях при входе и выходе воздуха из тоннеля и при поворотах, если трасса тоннеля располагается на кривой. Сопротивление трения, т. е. потеря давления в воздуховоде кругового поперечного сечения, Па: P1 тр L d т Vв2 2 , (2.13) где L – длина воздуховода (перегонного тоннеля), м; dт – внутренний диаметр тоннеля, м; тр – коэффициент трения воздуха по внутренним стенкам тоннеля. Значения тр ориентировочно принимают для тоннелей: - с гладкой бетонной поверхностью тр = 0,028; - с ребристой поверхностью при обделке из железобетонных тюбингов и ребристых блоков тр = 0,036; - с ребристой поверхностью при обделке из чугунных тюбингов тр = 0,047; - с гладкой стальной поверхностью тр = 0,08...0,10; Vв – средняя скорость движения воздуха в воздуховоде, м/с, определяемая по формуле Vв Qmax 900 d т2 . Потери давления в местных сопротивлениях, Па: P2 i Vв2 2 , (2.14) где i – местное сопротивление в тоннеле (см. табл. 1.9). Для курсового проектирования допускается принимать i по формуле i 9 1 3 8 . Сумма потерь давления на трение по длине тоннеля и потери давления в местных сопротивлениях складываются в общее значение потерь давления, Па: Pmax P1 P2 . 2.3. Выбор вентиляционного оборудования Определяют расчетные значения расхода и давления воздуха с учетом возможных потерь порядка 510 % и выбирают необходимое вентиляционное оборудование: Q p 1,051,10 Qmax ; Pp 1,051,10 Pmax . Для вентиляции метрополитенов применяют осевые реверсивные вентиляторы главного проветривания, отличающиеся компактностью и экономичностью. Вентиляторы подбирают по их характеристикам, которые выражают зависимость между основными параметрами их работы: производительностью и давлением при различной частоте вращения и разных коэффициентах полезного действия. В первом приближении выбор типа вентиляторов можно производить по их основным параметрам, приведенным в прил. 3, 4. В случае если один вентилятор не удовлетворяет расчетным значениям Qр и Рр , выбирают несколько вентиляторов, объединяя их по параллельной или последовательной схеме (рис. 2.2). При параллельной схеме общий расход воздуха, подаваемого в воздуховод, будет равен сумме производительности всех установленных параллельно вентиляторов, а общее давление не будет превышать давления, создаваемого каждым из вентиляторов. При последовательной схеме общее давление равно сумме давлений всех вентиляторов, а производительность соответствует производительности каждого из вентиляторов. 7 Не менее 2 м 6 Сбойка между перегонными тоннелями 3 2 4 1 5 2 5 6 4 Рис. 2.2. Вентиляционный узел на перегоне: 1 – вентиляционная камера; 2 – шумоглушительная камера; 3 – шахтный ствол; 4 – клапаны; 5 – направляющие лопатки; 6 – вентиляционный киоск; 7 – жалюзи Вентиляционные установки на перегонах размещаются в специальных вентиляционных камерах, соединяемых сбойками с тоннелем и шахтным стволом с поверхностью (см. рис. 2.2). Вентиляционные установки на станциях размещаются в вентиляционных камерах, расположенных в торцах станции. Тоннельные вентиляторы должны удовлетворять следующим требованиям: - иметь большую производительность (порядка 180...250 тыс. м3/ч) и минимальные размеры; - обладать широким диапазоном допустимого изменения производительности (в пределах 70...250 тыс. м3/ч); - иметь наибольший КПД при оптимальном режиме работы; - обладать возможностью реверсирования движения воздуха; - при реверсировании производительность вентилятора должна составлять не менее 80 % его производительности в прямом режиме; - обеспечивать устойчивую параллельную работу двух одинаковых вентиляторов; - иметь надежную, простую в обслуживании маловибрационную малошумную конструкцию. В большей степени этим требованиям удовлетворяют осевые вентиляторы. Центробежные вентиляторы являются более производительными и менее шумными, но уступают осевым по другим показателям и не реверсируются. Библиографический список 1. Тоннели и метрополитены: Учебник / Под ред. В.Г. Храпова. – М.: Транспорт, 1989. 2. Маковский Л.В. Проектирование автодорожных и городских тоннелей: Учебник. – М.: Транспорт, 1993. 3. Справочник инженера-тоннельщика / Под ред. В.Е. Меркина, С.Н. Власова, О.Н. Макарова. – М.: Транспорт, 1993. 4. Лиманов Ю.А. Метрополитены. – М.: Транспорт, 1971. 5. СНиП 32-02-2003. Метрополитены. 6. СП 32-105-2004. Метрополитены. 7. СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автодорожные. 8. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ВЕНТИЛЯЦИЯ АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ . . . . . . . . . . . . . 3 1.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. Расход воздуха, подаваемого в тоннель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.1. Расчет по предельно допустимой концентрации СО . . . . . . . . . 9 1.2.2. Расчет по теплоизбыткам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3. Выбор системы вентиляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3. Давление воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 1.3.1. Продольная система вентиляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.1.1. Определение факторов естественного проветривания 18 1.3.1.2. Расчет искусственной вентиляции при продольной системе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.2. Продольно-струйная система вентиляции . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.2.1. Определение факторов естественного проветривания 24 1.3.2.2. Расчет искусственной вентиляции при продольноструйной системе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.3. Поперечная система вентиляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4. Выбор вентиляционного оборудования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4.1. Продольная система вентиляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.4.2. Продольно-струйная система вентиляции . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.4.3. Поперечная система вентиляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.5. Алгоритмы расчёта вентиляции автодорожных тоннелей . . . . . . 30 1.5.1. Продольная система вентиляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.5.2. Продольно-струйная система вентиляция . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.5.3. Поперечная система вентиляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2. ВЕНТИЛЯЦИЯ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА . . . . . . . . . . . . 39 2.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2. Расчет вентиляции линии метрополитена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 2.2.1. Расчет необходимого количества воздуха по теплоизбыткам 40 2.2.2. Расчет давления воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.3. Выбор вентиляционного оборудования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Приложение 1. Характеристики вентиляторов местного проветривания 48 Приложение 2. Характеристики центробежных вентиляторов для проходки . . . . 50 Приложение 3. Характеристики осевых вентиляторов главного проветривания для вентиляции тоннелей и станций метрополитенов. . . . . . . . . . 51 Приложение 4. Характеристики осевых вентиляторов главного проветривания общего назначения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Приложение 5. Характеристики центробежных вентиляторов главного проветривания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Приложение 6. Характеристики вагонов метрополитена . . . . . . . . . . . . . . 55 56 Учебное издание ВЕНТИЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ Методические указания по курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности 270201 «Мосты и транспортные тоннели» Составители: Алексей Александрович Фугенфиров, Владимир Евгеньевич Русанов Редактор И.Г. Кузнецова Дизайн, компьютерная графика и вёрстка выполнены в СибАДИ Н.Г. Шиклеевой Подписано к печати 7.10.2008. Формат 6090 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Гарнитура Таймс. Усл. п.л. 3,5, уч.-изд. л. 3,5. Тираж 200 экз. Заказ № ___. Цена договорная. Издательство СибАДИ 644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10 ____________________________________________________________ Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ 644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10